DE102017006050B4

DE102017006050B4 - Verfahren zur Herstellung eines FKV-Bauteils mit lokaler Verdichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds

Info

Publication number: DE102017006050B4
Application number: DE102017006050.9A
Authority: DE
Inventors: Marco Jenne; Carsten Bär
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: DE102017006050A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils (200), welches nachfolgend an wenigstens einer Fügestelle (210) kraft- und formschlüssig mit wenigstens einem anderen Bauteil (300) verbunden werden soll, mit den Schritten:- Einlegen eines vorbereiteten Faserhalbzeugs (F) in die Kavität (130) eines geöffneten Formwerkzeugs (100);- Schließen des Formwerkzeugs (100) und Injizieren eines Kunststoffmatrixmaterials (K);- lokales Verdichten des Bauteils (200) an der Fügestelle (210) mithilfe wenigstens eines Pressstempels (150), der in die Bauteiloberfläche eingedrückt wird, bevor das Kunststoffmatrixmaterial (K) ausgehärtet und/oder abgekühlt ist;- Öffnen des Formwerkzeugs (100) und Entformen des Bauteils (200), nachdem das Kunststoffmatrixmaterial (K) ausgehärtet und/oder abgekühlt ist, wobei das Bauteil (200) an der Fügestelle (210) eine um wenigstens 10 % geringere Bauteildicke als neben dieser Fügestelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils bzw. eines FKV-Bauteils, welches nachfolgend an wenigstens einer Bauteil- bzw. Fügestelle kraft- und formschlüssig mit wenigstens einem anderen Bauteil verbunden werden soll. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds.
Verfahren und Werkzeugvorrichtungen zur Herstellung von Faserkunststoffverbundbauteilen aus Faserhalbzeug und Kunststoffmatrixmaterial sind in den Patentschriften DE 10 2012 023 608 A1 und DE 10 2013 207 668 A1 beschrieben. Zum Stand der Technik wird außerdem auf die DE 20 2016 006 356 U1 hingewiesen.
Die DE 10 2015 202 034 A1 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Bereitstellungsschritt, in dem das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil bereitgestellt wird; einen Bearbeitungsschritt, in dem ein Oberflächenabschnitt des Bauteils derart bearbeitet wird, dass eine Rauheit des Oberflächenabschnittes erhöht wird; und einen Montageschritt, in dem das Bauteil durch ein unmittelbar auf das Bauteil wirkendes Klemmelement derart montiert wird, dass der Oberflächenabschnitt durch das Klemmelement an eine Montageoberfläche eines anderen Körpers angepresst wird.
Die DE 10 2016 001 401 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Verbindungsbereichen an Faser-Matrix-Verbund-Bauteilen, wobei ein Faser-Matrix-Verbund-Bauteil in wenigstens einem herzustellenden Verbindungsbereich zumindest bereichsweise in einem Pressbereich mit einer Presskraft quer zu einer Fasererstreckungsrichtung beaufschlagt wird und wobei Matrixmaterial des Faser-Matrix-Verbund-Bauteils aus dem Pressbereich quer zur Presskraft verdrängt wird.
Die EP 3 100 848 A1 betrifft ein Faserkunststoffverbund (FKV) Bauteil mit einer Kunststoffmatrix und einer darin eingebetteten Faserstruktur und einer Fügeöffnung zur Aufnahme eines das Faserkunststoffverbundbauteil durchsetzenden Verbindungsmittels, wobei in einem die Fügeöffnung umgebenden Randbereich in der Kunststoffmatrix eine verdichtete Faserstruktur ausgebildet ist, sodass im Randbereich ein erhöhtes Lastaufnahmevermögen ausgebildet ist.
Die EP 2 492 069 A1 offenbart ein Verfahren zur Verstärkung eines vorbestimmten Randbereiches eines Lochs in einem Lochbereich eines Werkstücks.
Faserkunststoffverbundbauteile können mittels Fügeelementen bzw. Fügehilfselementen kraft- und formschlüssig mit anderen metallischen und nichtmetallischen Bauteilen gefügt werden. Durch die dabei über das Fügeelement erzeugte Vorspannkraft wird der Faserkunststoffverbund an der Fügestelle jedoch dauerhaft in Dickenrichtung belastet, was ein Setz- und Kriechverhalten des Kunststoffs zur Folge hat (zeitabhängiges Materialverhalten). Dies führt zu einer zeitabhängigen Abnahme der ursprünglichen Vorspannkraft, was die Funktionalität der Fügeverbindung beeinträchtigen kann.
Mit der Erfindung soll wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermieden oder zumindest verringert werden.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils, welches nachfolgend an wenigstens einer Fügestelle kraft- und formschlüssig mit wenigstens einem anderen Bauteil verbunden werden soll, umfasst die Schritte:

- Einlegen eines vorbereiteten Faserhalbzeugs in die Kavität (Formhohlraum) eines geöffneten Formwerkzeugs;
- Schließen des Formwerkzeugs und Injizieren eines Kunststoffmatrixmaterials;
- lokales Verdichten bzw. zusätzliches lokales Verdichten des (noch nicht fertigen) Bauteils an der wenigstens einen Fügestelle mithilfe wenigstens eines (zum Formwerkzeug gehörenden) Druck- bzw. Pressstempels, bevor das Kunststoffmatrixmaterial ausgehärtet und/oder abgekühlt ist bzw. während das Kunststoffmatrixmaterial aushärtet und/oder abkühlt;
- Öffnen des Formwerkzeugs und Entformen des Bauteils, nachdem das Kunststoffmatrixmaterial ausgehärtet und/oder abgekühlt ist.

Die lokale Verdichtung des Faserkunststoffverbundbauteils mithilfe des Pressstempels erfolgt derart, dass der Pressstempel in die Bauteiloberfläche des noch nicht ausgehärteten bzw. abgekühlten Bauteils eingedrückt wird, bspw. um wenigstens 1/10 (bzw. 10 %) der Bauteildicke, sodass das Bauteil an der Fügestelle schließlich eine geringere Bauteildicke als neben dieser Fügestelle aufweist. Um eine bestimmte Eindruck- oder Einpresstiefe zu erreichen, ist eine Wegsteuerung des Pressstempels vorteilhaft.
Die lokale Verdichtung bzw. Vorverdichtung an der Fügestelle führt überraschend dazu, dass später kein oder kaum Setz- und Kriechverhalten auftritt und die Vorspannkraft einer an dieser Fügestelle erzeugten Fügeverbindung dauerhaft erhalten bleibt und ein Vorspannkraftverlust im Vergleich zu einer nicht derartig vorbehandelten Zone bzw. Stelle signifikant geringer ist. Die lokale Verdichtung dient nicht der Kompensation von Schwindungen, sondern der Vorkonditionierung des Bauteils an der Fügestelle, um späteres Setz- und Kriechverhalten zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird die lokale Verdichtung an der Fügestelle nicht nachträglich, sondern bereits bei der urformenden Herstellung des Faserkunststoffverbundbauteils erzeugt, also in den Bauteilherstellungsprozess integriert, wodurch Bearbeitungsschritte, Zeit und Kosten eingespart werden.
Das Faserhalbzeug ist insbesondere ein ein- oder mehrlagiges Fasergelege oder ein Preformling bzw. Vorformling. Prinzipiell kann auch ein vorimprägniertes Prepreg-Material verwendet werden. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich insbesondere um Lang- oder Endlosfasern. Die Verstärkungsfasern können z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern sein.
Das Kunststoffmatrixmaterial ist vorzugsweise ein duroplastischer Kunststoff und insbesondere ein Harzmaterial (z. B. ein Epoxidharz), das insbesondere durch Wärmezufuhr im Formwerkzeug aushärtet. Unter „nicht ausgehärtet und/oder abgekühlt“ wird dann insbesondere verstanden, dass das duroplastische Kunststoffmatrixmaterial noch nicht vollständig, d. h. zu 100 %, vernetzt bzw. verfestigt ist und/oder noch nicht die Entnahmetemperatur erreicht hat. Das Kunststoffmatrixmaterial kann prinzipiell auch ein thermoplastischer Kunststoff sein. Unter „nicht ausgehärtet und/oder abgekühlt“ wird dann insbesondere verstanden, dass das thermoplastische Kunststoffmatrixmaterial noch nicht die Entnahmetemperatur erreicht hat. Die Entnahme- bzw. Entformtemperatur liegt bspw. bei unter 150°C, bevorzugt bei unter 100°C und insbesondere bei unter 50°C.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem RTM- bzw. Harzinjektionsprozess. Der RTM-Prozess ist aktuell in der Automobilindustrie das gängige Herstellungsverfahren für Fahrzeugbauteile, insbesondere Strukturbauteile, mit hoher Stückzahl. Das herzustellende Faserkunststoffverbundbauteil ist vorzugsweise ein Fahrzeug- bzw. Automobilbauteil und insbesondere ein Karosseriebauteil. Insbesondere handelt es sich um ein Fahrzeug- bzw. Automobilbauteil, welches in der Fahrzeugmontage gefügt wird (sogenanntes Montageteil).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Faserkunststoffverbundbauteil beim lokalen Verdichten an der Fügestelle von beiden Seiten mithilfe zweier Pressstempel verdichtet wird. Die Fügestelle wird dabei quasi zwischen zwei gegeneinanderdrückende Pressstempel verdichtet bzw. komprimiert.
Der/die Pressstempel kann/können an der Fügestelle eine Flächenpressung von 50 MPa bis 150 MPa, bevorzugt von ca. 100 MPa, erzeugen. Flächenpressungen in diesem Wertebereich haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Der/die Pressstempel ist/sind bevorzugt kraftgesteuert. Ferner ist auch eine kombinierte Weg-Kraft-Steuerung möglich, wobei der/die Pressstempel zunächst weggesteuert in eine bestimmte Position bewegt wird/werden und dann, d. h. während der weiteren Aushärtung und/oder Abkühlung, kraftgesteuert in dieser Position gehalten wird/werden und an der Fügestelle eine definierte Belastung (Flächenpressung) auf das Bauteil aufbringt/aufbringen.
Das Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils, welches nachfolgend an wenigstens einer Fügestelle kraft- und formschlüssig mit wenigstens einem anderen Bauteil verbunden werden soll, umfasst:

- ein erstes Werkzeugteil bzw. eine erste Werkzeughälfte und ein zweites Werkzeugteil bzw. eine zweite Werkzeughälfte, die insbesondere zum Öffnen und Schließen des Formwerkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind;
- eine durch die Werkzeugteile gebildete Kavität, die durch translatorisches Bewegen der Werkzeugteile geöffnet und geschlossen werden kann; und
- wenigstens einen im ersten Werkzeugteil und/oder im zweiten Werkzeugteil angeordneten und in die Kavität einfahrbaren bzw. eindrückbaren Pressstempel, mit dem das herzustellende Bauteil an der Fügestelle lokal verdichtet werden kann, bevor das zur Herstellung des Faserkunststoffverbundbauteils verwendete Kunststoffmatrixmaterial ausgehärtet ist

Bevorzugt ist im Formwerkzeug an der Fügestelle in beiden Werkzeugteilen ein Pressstempel angeordnet, wobei diese Pressstempel gegensätzlich in die Kavität eindrückbar bzw. hineindrückbar sind, insbesondere auf einer gemeinsamen Bewegungsachse, d. h. fluchtend.
Der/die Pressstempel können, insbesondere bei einer runden Ausgestaltung, einen Durchmesser von 20 mm bis 60 mm und bevorzugt von 30 mm bis 50 mm aufweisen. Der/die Pressstempel kann/können aber auch einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweisen.
Bevorzugt ist der Pressstempeldurchmesser an den Nenndurchmesser des später verwendeten Fügeelements angepasst, insbesondere derart, dass der Pressstempeldurchmesser dem 2-fachen bis 6-fachen und bevorzugt dem 3-fachen bis 5-fachen des Nenndurchmessers des Fügeelements entspricht. Bei einer M10-Schraube mit einem Nenndurchmesser von 10 mm ergibt sich bspw. ein Pressstempeldurchmesser von 20 bis 60 mm und bevorzugt von 30 bis 50 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds umfasst die Schritte:

- Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils mit einem erfindungsgemäßen Verfahren;
- gegebenenfalls Durchbohren des Faserkunststoffverbundbauteils an der wenigstens einen Fügestelle;
- kraft- und formschlüssiges Fügen des Faserkunststoffverbundbauteils mit wenigstens einem anderen (metallischen oder nichtmetallischen) Bauteil, wozu an der wenigstens einen Fügestelle wenigstens ein Fügeelement eingebracht wird, welches an der Fügestelle zwischen den Bauteilen eine Vorspannung bzw. eine Vorspannkraft erzeugt.

Das Fügeelement ist insbesondere eine Schraube, bspw. eine M6, M8, M10 oder M12-Schraube. Das Fügeelement kann auch ein Niet sein oder Ähnliches.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht in mehreren schematischen Schnittdarstellungen die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils mit lokal verdichteten Fügestellen.
2 zeigt schematisch eine konventionelle Schraubverbindung zwischen einem erfindungsgemäß hergestellten Faserkunststoffverbundbauteil und einem weiteren Bauteil.

Das in 1 gezeigte Formwerkzeug 100 weist ein Werkzeugoberteil 110, ein Werkzeugunterteil 120 und eine Kavität 130, die zur Formung eines herzustellenden Faserkunststoffverbundbauteils 200 gestaltet ist, auf. Das Formwerkzeug 100 ist in einer Presse oder dergleichen eingebaut.
1a zeigt das Formwerkzeug 100 in einem geschlossenen Zustand. In der Kavität 130 befindet sich ein Faserhalbzeug F. Durch Einspritzkanäle 140 wird nun ein duroplastisches Kunststoffmatrixmaterial K (Harz) in die geschlossene Kavität 130 injiziert bzw. eingespritzt, welches das Faserhalbzeug F durchtränkt und konsolidiert, wie in 1b gezeigt. Durch Erwärmung wird das Kunststoffmatrixmaterial K anschließend ausgehärtet.
Bevor das Kunststoffmatrixmaterial K ganz ausgehärtet ist wird das unfertige Faserkunststoffverbundbauteil 200 im noch erwärmten bzw. erhitzten Zustand (die Temperatur liegt bevorzugt oberhalb der Glasübergangstemperatur), wobei das Kunststoffmatrixmaterial K noch viskos bzw. teigig ist, an den späteren Fügestellen 210 (siehe 2) zusätzlich lokal verdichtet. Hierzu weist das Formwerkzeug 100 mehrere Pressstempel 150 auf, die paarweise fluchtend im Werkzeugoberteil 110 und im Werkzeugunterteil 120 angeordnet sind (sogenannte Press- bzw. Druckstempelpaare) und die an den Fügestellen 210 des herzustellenden Faserkunststoffverbundbauteils 200 in die Kavität 130 hineingedrückt werden und dabei das Faserkunststoffverbundbauteil 200 in Dickenrichtung von beiden Seiten verdichten, wie in 1c gezeigt. Die Pressstempel 150 sind weg- und/oder kraftgesteuert und werden bspw. pneumatisch oder hydraulisch betätigt (als Aktuatoren können bspw. Pneumatik- oder Hydraulikzylinder verwendet werden).
Das Kunststoffmatrixmaterial K härtet nun unter fortgesetzter lokal erhöhter Druckbeaufschlagung durch die Pressstempel 150 aus und kühlt ab, wie in 1d gezeigt. D. h., das Faserkunststoffverbundbauteil 200 wird idealerweise auch unter Aufrechterhaltung der Stempellast abgekühlt, wodurch der erzeugte Zustand quasi eingefroren wird. Während dieser Phase ist die Druckbeaufschlagung durch die Pressstempel 150 konstant oder kann auch variieren. Nachdem das Kunststoffmatrixmaterial K ausgehärtet und bis zur Entnahmetemperatur abgekühlt ist wird das Formwerkzeug 100 geöffnet und das hergestellte Faserkunststoffverbundbauteil 200 entformt, wie in 1e gezeigt.
Das flächige und dünnwandige (d. h. die Bauteildicke beträgt bevorzugt 1,5 mm bis 10 mm) Faserkunststoffverbundbauteil 200 ist lokal an seinen Fügestellen 210 verdichtet. Diese Verdichtung bzw. Vorverdichtung führt zu ein Vorkonditionierung, sodass beim Verschrauben des Faserkunststoffverbundbauteils 200 mit wenigstens einem anderen Bauteil 300, wie bspw. in 2 gezeigt, an den Fügestellen 210 keine nennenswerten Vorspannkraftverluste mehr auftreten. Um den optimalen Effekt zu erreichen, muss die mechanische Belastung durch die Pressstempel 150 in Lastrichtung der späteren Vorspannkraft erfolgen.
Anstatt der lösbaren Schraube 400 kann auch ein Niet oder ein anderes vorspannendes Fügeelement verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils (200), welches nachfolgend an wenigstens einer Fügestelle (210) kraft- und formschlüssig mit wenigstens einem anderen Bauteil (300) verbunden werden soll, mit den Schritten: - Einlegen eines vorbereiteten Faserhalbzeugs (F) in die Kavität (130) eines geöffneten Formwerkzeugs (100); - Schließen des Formwerkzeugs (100) und Injizieren eines Kunststoffmatrixmaterials (K); - lokales Verdichten des Bauteils (200) an der Fügestelle (210) mithilfe wenigstens eines Pressstempels (150), der in die Bauteiloberfläche eingedrückt wird, bevor das Kunststoffmatrixmaterial (K) ausgehärtet und/oder abgekühlt ist; - Öffnen des Formwerkzeugs (100) und Entformen des Bauteils (200), nachdem das Kunststoffmatrixmaterial (K) ausgehärtet und/oder abgekühlt ist, wobei das Bauteil (200) an der Fügestelle (210) eine um wenigstens 10 % geringere Bauteildicke als neben dieser Fügestelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (200) beim lokalen Verdichten an der Fügestelle (210) mithilfe von zwei Pressstempeln (150) von beiden Seiten verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Pressstempel (150) an der Fügestelle (210) eine Flächenpressung von 50 bis 150 MPa erzeugt/erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Pressstempel (150) kraftgesteuert ist/sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds, mit den Schritten: - Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils (200) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4; - gegebenenfalls Durchbohren des Faserkunststoffverbundbauteils (200) an der Fügestelle (210); - kraft- und formschlüssiges Fügen des Faserkunststoffverbundbauteils (200) mit wenigstens einem anderen Bauteil (300), wozu an der Fügestelle (210) ein Fügeelement (400) eingebracht wird, welches zwischen den Bauteilen (200, 300) eine Vorspannung erzeugt.