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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils sowie ein Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche.
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Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen kommt es durch Inhomogenitäten im Fasermaterial, die z.B. während des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils durch Faserverschiebung oder Schrumpf des enthaltenen Kunststoffes auftritt, häufig zu Oberflächendefekten, wie z.B. einer unebenen Bauteiloberfläche, die Einfallstellen und/oder sogenannte „Pinholes“ aufweist. Um diese Oberflächendefekte zu kaschieren, wird üblicherweise unter Anwendung eines thermischen Prozess (zum Aufbringen und/oder Härten) ein Klarlack aufgebracht. Hierbei erwärmt sich auch das Faserverbundbauteil, dehnt sich aus und bildet während des Aufbringens des Klarlacks eine glatte Oberfläche. Bei dem sich anschließenden Abkühlvorgang kommt es erneut zur Bildung von Oberflächendefekten, da das abkühlende Faserverbundbauteil schrumpft und der darüber liegende Klarlack entweder im noch nassen Zustand einsinkt oder im bereits gehärteten Zustand Rissbildung zeigt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, das die Oberfläche des Faserverbundbauteils dauerhaft veredelt und Oberflächendefekte vermeidet. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, das sich durch eine hohe Oberflächengüte und insbesondere durch eine geringe Oberflächenunebenheit auszeichnet.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit veredelter Oberfläche gelöst, das sich durch nachfolgende Schritte auszeichnet.
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In einem ersten Schritt wird zunächst ein Fasermaterial bereitgestellt. Das Fasermaterial ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann ein einzelnes Fasermaterial, also insbesondere ein Faserhalbzeug, oder aber eine Anordnung von Fasermaterialien sein, beispielsweise ein Laminat von zwei oder mehreren Faserhalbzeugen.
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Das Fasermaterial wird in einem weiteren Schritt mit einem ersten härtbaren Harzmaterial imprägniert. Die Imprägnierung kann beispielsweise über einen Injektionsprozess (z.B. RTM) oder einen Pressvorgang (z.B. bei Verwendung von Prepregmaterialien) ausgeführt werden. Auch das erste härtbare Harzmaterial ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann ein duroplastisches, thermoplastisches oder elastomeres härtbares Harzmaterial sein. Das Fasermaterial wird von dem ersten härtbaren Harzmaterial durchtränkt, so dass sich nach einem weiteren Schritt des Härtens des ersten härtbaren Harzmaterials ein sehr guter Faserverbund ergibt. Hierdurch wird ein Faserverbundbauteil erhalten.
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Die vorstehend beschriebenen Schritte stellen einen beliebigen, auch herkömmlichen Verfahrensablauf, zur Herstellung eines Faserverbundbauteils dar.
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Gemäß den weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritten erfolgt ein Veredeln der Oberfläche des hergestellten Faserverbundbauteils. Hierzu wird zunächst ein zweites härtbares Harzmaterial auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Faserverbundbauteils aufgebracht. Vorzugsweise bedeckt das zweite härtbare Harzmaterial mindestens eine Oberfläche des Faserverbundbauteils, und hierunter insbesondere eine Sichtfläche, also eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Faserverbundbauteils sichtbare Oberfläche, desselben. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass auf mindestens einen Oberflächenbereich des Faserverbundbauteils eine Veredelungsschicht aufgebracht wird. Hierbei ist das zweite härtbare Harzmaterial polyurethanhaltig, so dass nach einem weiteren Schritt des Härtens des zweiten härtbaren Harzmaterials ein Faserverbundbauteil mit einer polyurethanbasierten Oberflächenveredelungsschicht erhalten wird.
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Polyurethane und damit auch polyurethan-basierte härtbare Harzmaterialien, zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei geringen Temperaturen aufgebracht werden können und härtbar sind. Das Aufbringen der erfindungsgemäßen Veredelungsschicht erfordert damit keinen spezifischen thermisch induzierten oder thermisch durchgeführten Prozess. Somit wird weder beim Aufbringen des zweiten härtbaren Harzmaterials auf mindestens einen Teil der Oberfläche des Faserverbundbauteils noch beim Härten des zweiten härtbaren Harzmaterials eine derart hohe Temperatur angewandt, die auch ein Erwärmen und damit ein Ausdehnen des Faserverbundbauteils bewirkt. Somit breitet sich das zweite härtbare Harzmaterial gleichmäßig und Unebenheiten ausgleichend auf der Oberfläche des Faserverbundbauteils aus und härtet dort aus. Auch beim Härtungsvorgang des zweiten härtbaren Harzmaterials zieht sich die Oberfläche des Faserverbundbauteils nicht zusammen. Mit anderen Worten findet kein Schrumpf des Faserverbundbauteils, und insbesondere ein Schrumpf an dessen Oberfläche statt. Die Oberfläche des Faserverbundbauteils bleibt auch nach dem Aushärtevorgang glatt und eben. Etwaige Pinholes und andere Oberflächenunebenheiten, die insbesondere während des Härtens des Faserverbundbauteils entstanden sind, werden vollständig aufgefüllt und kaschiert. Die Oberfläche des Faserverbundbauteils zeigt eine hohe Oberflächengüte und Ebenheit ohne Rissbildung und Inhomogenitäten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach, ohne hohen technischen Aufwand, durch Kombination von Standardprozessen umsetzbar und eignet sich insbesondere zur Veredelung von bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Faserverbundbauteils sichtbaren Oberflächen des Faserverbundbauteils.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens enthält das Fasermaterial Carbonfasern und/oder Aramidfasern und/oder Glasfasern und/oder Polyesterfasern. Diese Fasermaterialien zeichnen sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften und eine gute Beständigkeit aus. Hierunter besonders bevorzugt, insbesondere auch aufgrund ihres geringen Gewichtes, sind Carbonfasern. In dem erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundbauteil besteht das Fasermaterial daher vorzugsweise aus Carbonfasern.
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Das Fasermaterial ist, wie bereits vorstehend beschrieben, in seiner Form und Anordnung der Fasern im Wesentlichen nicht beschränkt. Vorteilhaft ist das Fasermaterial aber ausgewählt aus Prepregs, Sheet-Molding-Compounds (SMCs), Vliesen, Geweben, Gestricken, Geflechten, Gelegen, Gewirken oder Kombinationen daraus, da sich hierdurch Faserverbundbauteile in beliebiger Form mit guter Stabilität herstellen lassen. Kombinationen aus den Faserhalbzeugen umfassen auch mehrlagige Faserhalbzeuganordnungen.
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Ferner vorteilhaft umfasst das Verfahren zur Verbesserung der Formgestaltung des Faserverbundbauteils einen Schritt des Formens des Fasermaterials vor dem Härten des ersten härtbaren Harzmaterials.
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Die Herstellung des Faserverbundbauteils kann vorteilhaft dadurch vereinfacht werden, dass sie unter Verwendung eines Niederdruck-RTM-Verfahrens, eines Hochdruck-RTM-Verfahrens, durch Nasspressen, Vakuuminfusion, SMC-Pressen oder ein anderweitiges Pressverfahren erfolgt. Die vorstehend benannten Fertigungsverfahren sind mit hoher Taktung umsetzbar und ermöglichen die Herstellung von Faserverbundbauteilen mit gleichbleibend guter Qualität.
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Eine weitere Verfahrensvereinfachung kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erhalten werden, dass das Aufbringen und Härten des zweiten härtbaren Harzmaterials durch Anwendung eines RTM-Verfahrens ausgeführt wird. Hierzu wird das Faserverbundbauteil z.B. in eine Kavität eines RTM-Werkzeugs eingelegt, das Werkzeug geschlossen und anschließend die Kavität mit dem zweiten härtbaren Harzmaterial gefüllt. Das eigens für das zu veredelnde Faserverbundbauteil vorgesehene RTM-Werkzeug kann in Form und Dimension gezielt ausgebildet sein, so dass ein gewünschtes oberflächenveredeltes Faserverbundbauteil erhalten wird. Ferner können hierdurch Serien an gleichförmigen Faserverbundbauteilen einfach hergestellt werden.
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Die Anwendung des RTM-Verfahrens erfolgt insbesondere vorteilhaft dadurch, dass das zunächst erhaltene Faserverbundbauteil in ein RTM-Werkzeug eingelegt wird, das RTM-Werkzeug evakuiert wird, insbesondere unter Erhalt eines Absolut-Druckes von 0,1 bis 0,9 bar, und dann das zweite härtbare Harzmaterial unter Druck von insbesondere 15 bis 20 bar aufgebracht wird. Durch das Evakuieren werden Lufteinschlüsse vermieden und es wird eine glatte Faserverbundbauteiloberfläche erhalten. Sodann erfolgt ein Fluten des Faserverbundbauteils mit zweitem härtbaren Harzmaterial. Hierzu wird das zweite härtbare Harzmaterial unter Druck in das RTM-Werkzeug eingebracht und bedeckt die freiliegende(n) Faserverbundbauteiloberfläche(n). Ein Enddruck im RTM-Werkzeug beträgt sodann 15 bis 20 bar. Dieser hohe Druck ermöglicht ein vollständiges Ausfüllen aller freiliegenden Kavitäten, insbesondere auch der Oberflächendefekte und hierunter insbesondere auch der Pinholes des Faserverbundbauteils, so dass eine glatte Bauteiloberfläche erzielt wird.
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Um ein Schrumpfen des Faserverbundbauteils während der Veredelung der Oberfläche des Faserverbundbauteils zu verhindern, erfolgen vorteilhaft das Aufbringen und Härten des zweiten härtbaren Harzmaterials bei einer Temperatur von bis zu 60 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von 40 °C bis 50 °C. Diese Temperaturführung vermeidet selbst bei thermoplastbasierten ersten härtbaren Harzmaterialien ein Ausdehnen der Faserverbundbauteiloberfläche während des Veredelungsprozesses, so dass eine besonders glatte Faserverbundbauteiloberfläche erhalten wird.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche beschrieben, das sich durch eine glatte, oberflächendefektfreie Oberfläche und damit durch eine hohe Oberflächengüte auszeichnet. Das oberflächenveredelte Faserverbundbauteil umfasst ein Faserverbundbauteil und eine polyurethanhaltige Oberflächenveredelungsschicht. Das Faserverbundbauteil und die polyurethanhaltige Oberflächenveredelungsschicht sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Aufgrund der separaten Herstellung der Harzschichten, insbesondere aufgrund des sequenziellen Einbringens bzw. Aufbringens eines ersten härtbaren Harzmaterials und eines zweiten härtbaren Harzmaterials nach dem Härten des ersten härtbaren Harzmaterials, kann jedoch zwischen dem Faserverbundbauteil auf der einen Seite und der Oberflächenveredelungsschicht auf der anderen Seite unterschieden werden. Dies gilt umso mehr für die Verwendung eines ersten härtbaren Harzmaterials, das nicht polyurethanbasiert ist.
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Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Faserverbundbauteil ist durch das ebenfalls vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Verfahren herstellbar. Somit finden die Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden, auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil.
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Um Oberflächendefekte im Faserverbundbauteil ausreichend zu kaschieren, ist eine durchschnittliche Schichtdicke der Oberflächenveredelungsschicht von maximal 0,3 mm vorteilhaft. Je nach Anwendung und Substrat kann die Schichtdicke auch nur bis zu 0,1 mm betragen. Schichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm sind im Hinblick auf eine glatte Oberfläche besonders gut geeignet. Bei minimalem Materialverbrauch für die polyurethanbasierte Oberflächenveredelungsschicht kann somit eine sehr gute Oberflächengüte im oberflächenveredelten Faserverbundbauteil erzielt werden.
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Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften des veredelten Faserverbundbauteils, ist die Oberflächenveredelungsschicht transparent. Dies hat sich insbesondere für carbonfaserhaltige Fasermaterialien bewährt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit veredelter Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine Schnittansicht eines Faserverbundbauteils mit veredelter Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Hierbei sind in den Figuren nur die erfindungswesentlichen Details dargestellt. Alle übrigen Details sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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1 ist ein Flussdiagramm, das Verfahrensschritte zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit veredelter Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufzeigt.
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In einem Verfahrensschritt 100 wird zunächst ein Fasermaterials bereitgestellt. Vorteilhaft handelt es sich um ein Fasermaterial aus Carbonfasern, wie z.B. ein Carbonfaservlies, ein Carbonfasergewebe, ein Carbonfasergestricke, ein Carbonfasergewirke und dergleichen. Alternativ dazu kann es sich auch um ein Faserhalbzeug handeln, das z.B. Carbonfasern enthält, wie z.B. ein SMC oder Prepreg. Das Fasermaterial kann dabei bereits in Form und Dimension entsprechend ausgebildet sein. Alternativ kann dies in einem separaten Schritt erfolgen.
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In einem Verfahrensschritt 200 erfolgt ein Imprägnieren des Fasermaterials mit einem ersten härtbaren Harzmaterial. Das erste härtbare Harzmaterial ist im Einzelnen nicht beschränkt und wird je nach Anforderungsprofil und insbesondere im Hinblick auf die zu erwartenden mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils ausgewählt.
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In Verfahrensschritt 300 wird das erste härtbare Harzmaterial unter Herstellung eines Faserverbundbauteils gehärtet. Das Härten kann z.B. thermisch oder lichtinduziert erfolgen, je nach verwendetem ersten härtbaren Harzmaterial.
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Durch die Verfahrensschritte 100 bis 300 wird ein Faserverbundbauteil hergestellt. Dies kann vorteilhaft z.B. mittels eines Niederdruck-RTM-Verfahrens, eines Hochdruck-RTM-Verfahrens, durch Nasspressen, Vakuuminfusion oder SMC-Pressen erfolgen.
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Die weiteren Verfahrensschritte 400 und 500 sind diejenigen Verfahrensschritte, die insbesondere für die Oberflächenveredelung des Faserverbundbauteils wesentlich sind.
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In Verfahrensschritt 400 erfolgt ein Aufbringen eines zweiten härtbaren Harzmaterials auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Faserverbundbauteils. Das zweite härtbare Harzmaterial bedeckt nach dem Aufbringen desselben insbesondere mindestens eine Oberfläche, also die Oberfläche einer Seite des Faserverbundbauteils. Insbesondere wird die Oberfläche des Faserverbundbauteils veredelt, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Faserverbundbauteils für einen Betrachter sichtbar ist. Das zweite härtbare Harzmaterial ist dabei polyurethanhaltig. Es wird so aufgebracht, dass alle zu kaschierenden Oberflächendefekte im Faserverbundbauteil aufgefüllt werden und sich eine glatte Schicht auf der Faserverbundbauteiloberfläche bildet.
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Insbesondere wird zum Aufbringen des zweiten härtbaren Harzmaterials auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Faserverbundbauteils das Faserverbundbauteil in eine Kavität eines RTM-Werkzeugs eingelegt, das RTM-Werkzeug geschlossen und evakuiert unter Erhalt eines Absolut-Druckes von 0,1 bis 0,9 bar. Sodann wird die Kavität mit dem zweiten härtbaren Harzmaterial geflutet unter Druckaufbau bis zu insbesondere 15 bis 20 bar. Hierdurch werden alle Oberflächendefekte des Faserverbundbauteils aufgefüllt und es bildet sich eine glatte Oberflächenveredelungsschicht.
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Sodann erfolgt im Verfahrensschritt 500 ein Härten des zweiten härtbaren Harzmaterials.
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Das Aufbringen des zweiten härtbaren Harzmaterials im Schritt 400 und das Härten desselben im Schritt 500 erfolgt insbesondere bei einer Temperatur von maximal 60 °C und insbesondere in einem Temperaturbereich von 40 bis 50 °C. 2 zeigt ein Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche 1, das beispielsweise nach dem Verfahren aus 1 hergestellt wurde im Schnitt. Das Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche 1 umfasst ein Faserverbundbauteil 2, das beispielsweise durch die Verfahrensschritte 100 bis 300 herstellbar ist, und eine polyurethanhaltige Oberflächenveredelungsschicht 3. Zu erkennen ist, dass das Faserverbundbauteil 2 Oberflächendefekte in Form von Einfallstellen 4 und sogenannten Pinholes 5, also länglichen Vertiefungen, die durch Schrumpf des ersten härtbaren Harzmaterials beim Härten desselben entstehen, aufweist.
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Die Oberflächendefekte 4, 5 sind vollständig mit der Oberflächenveredelungsschicht 3 ausgefüllt. Darüber hinaus ist eine komplette Oberfläche 6 des Faserverbundbauteils 2 mit der Oberflächenveredelungsschicht 3 bedeckt. Die Oberflächenveredelungsschicht 3 zeichnet sich somit durch eine glatte, ebene und von Oberflächendefekten freie Oberfläche 7 aus. Hierdurch wird die Oberflächengüte des oberflächenveredelten Faserverbundbauteils 1 verbessert.
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Die Oberflächenveredelungsschicht 3 hat hierbei insbesondere eine durchschnittliche Schichtdicke S von maximal 0,3 mm und ist transparent, die in Schichtdickenrichtung senkrecht zur Oberfläche, auf der die Oberflächenveredelungsschicht 3 angeordnet ist, gemessen wird.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche
- 2
- Faserverbundbauteil
- 3
- Oberflächenveredelungsschicht
- 4
- Einfallstelle
- 5
- Pinhole
- 6
- Oberfläche des Faserverbundbauteils
- 7
- Oberfläche der Oberflächenveredelungsschicht
- 100-500
- Verfahrensschritte
