DE102017208869B4

DE102017208869B4 - Verfahren zur Kennzeichnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie die Verwendung eines RTM-Werkzeugs zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017208869B4
Application number: DE102017208869.9A
Authority: DE
Inventors: Bruno Niesner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: CN110382213B; DE102017208869A1; CN110382213A; US11738524B2; WO2018215107A1; US20200079037A1

Abstract

Verfahren zur Kennzeichnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, mit den Schritten:Bereitstellen eines Faserhalbzeugs (1),aufbringen und fixieren eines Etiketts (2) auf dem Faserhalbzeug (1),einlegen des Faserhalbzeugs (1) mit Etikett (2) in ein Formwerkzeug (3) undschließen des Formwerkzeugs (3),infiltrieren des Faserhalbzeugs (1) mit einer Kunststoffmasse und aushärtenim geschlossenen Formwerkzeug (3), dadurch gekennzeichnet, dassdas Etikett (2) an einem an der Werkzeuginnenwandung (5) ausgebildeten Fließhilfeabschnitt (8) mit gitterförmiger Anordnung (25) kanalförmiger Vertiefungen (10- 24) zu liegen kommt, von denen mindestens eine kanalförmige Vertiefung (10 - 24) in ihrer Länge über das Etikett (2) hinausragt undbeim Aushärten ein Harzgitter entsteht, welches das Etikett (2) überspannt und in das Bauteil integriert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kennzeichnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie eine Verwendung eines RTM-Werkzeugs zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist das Resin Transfer Moulding (RTM-Verfahren) hinlänglich bekannt. Hierbei wird ein ungetränktes Faserhalbzeug in ein Formwerkzeug eingelegt. Das meist zweigeteilte Formwerkzeug bildet als Negativform die äußere Kontur des faserverstärkten Kunststoffbauteils ab. Nach dem Schließen des Formwerkzeugs wird eine reaktive Kunststoffmasse, beispielsweise ein System aus Epoxidharz und Härter, in die Kavität des Formwerkzeugs injiziert. Bei der Injektion durchströmt die Kunststoffmasse die Faserlagen. Unter Druck und bei erhöhter Temperatur härtet die Kunststoffmasse im Formwerkzeug zu dem faserverstärkten Kunststoffbauteil aus.
Die Druckschrift DE 10 2011 119 223 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kraftfahrzeugbauteils, bei dem in einer Preformingprozesseinrichtung ein Preform aus zumindest einem Halbzeug ausgebildet wird und wobei zur Lagedefinierung in der Preformingprozesseinrichtung auf das Halbzeug und/oder auf den Preform zumindest eine Markierung angebracht wird. Die Markierung kann beispielsweise aufgedruckt, aufgeklebt oder eingelasert werden. Weiterhin sind aus den Druckschriften DE 10 2011 111 452 A1 , DE 199 22 850 C1 und DE 10 2007 013 987 A1 -RTM-Werkzeuge bekannt, bei denen zur Verbesserung einer Tränkung des Faserhalbzeugs mit Matrixmaterial Injektionskanäle in das RTM-Werkzeug eingebracht sind. Um Bauteile während des Produktionsprozesses identifizieren zu können, werden diese mit einem Code versehen. Es ist bekannt hierzu ein Etikett zu verwenden, welches vor dem RTM-Prozess am Faserhalbzeug mittels einer Haftschicht angebracht wird und bei der Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils mit in das Harzsystem eingebettet werden soll.
Jedoch ist dieser Prozess fehleranfällig. Häufig wird das Etikett nicht hinreichend von dem Harz eingebunden und bleibt beim Entformen des Bauteils in dem Formwerkzeug haften. Dieser Effekt tritt verstärkt auf, wenn das Etikett aus Gründen guter Lesbarkeit aus einem Material hergestellt ist, dass von dem Harzsystem nicht durchtränkbar ist. Da der RTM-Prozess automatisiert abläuft, fällt dies oft erst im Nachhinein auf. Das ungekennzeichnete Bauteil hinterher zu finden und nachträglich zu kennzeichnen, bringt einen erheblichen Mehraufwand mit sich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, wie faserverstärkte Kunststoffbauteile zuverlässig gekennzeichnet werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Verwendung eines RTM-Werkzeugs zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zur Kennzeichnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils angegeben, bei dem zunächst ein Faserhalbzeug bereitgestellt wird. Das Faserhalbzeug beinhaltet mindestens eine Schicht von Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern. Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise uni- oder bidirektional ausgerichtet. Das Faserhalbzeug kann z.B. als flächiges, ggf. vorgeformtes, Halbzeug vorliegen oder beispielsweise um einen Stützkern angeordnet sein.
Auf dem Faserhalbzeug wird ein Etikett aufgebracht und fixiert. Das Etikett weist ein Trägermaterial sowie eine auf oder in dem Trägermaterial vorgesehene Kennzeichnung auf. Die Kennzeichnung kann z.B. auf das Trägermaterial aufgedruckt oder in dieses eingeprägt sein. Die Fixierung des Etiketts verhindert, dass das Etikett auf dem Faserhalbzeug verrutschen kann oder sich beim Transport des Faserhalbzeugs von diesem lösen kann. Vorzugsweise wird das Etikett auf dem Faserhalbzeug aufgeklebt. Hierzu kann das Etikett eine Haftvermittlerschicht aufweisen.
Das mit dem Etikett versehene Faserhalbzeug wird in das RTM-Formwerkzeug eingelegt und das Formwerkzeug wird geschlossen. Das Faserhalbzeugs wird in dem Formwerkzeug mit einer Kunststoffmasse infiltriert und im geschlossenen Formwerkzeug ausgehärtet.
Das Etikett kommt an einem in der Werkzeuginnenwandung ausgebildeten Fließhilfeabschnitt zu liegen, der mindestens eine kanalförmige Vertiefung aufweist, welche in ihrer Länge über das Etikett hinausragt.
Die kanalförmige Vertiefung stellt einen Fließkanal bereit, durch den das Kunststoffmaterial beim Infiltrieren des Faserhalbzeugs fließt. Durch die kanalförmige Vertiefung kann die Kunststoffmasse problemlos zwischen Werkzeug und Etikett fließen und die kanalförmige Vertiefung füllt sich mit der Kunststoffmasse. Nach dem Aushärten verbleibt ein Steg aus Harz auf einem Teil der Oberfläche des Etiketts, so dass dieses sicher am Bauteil fixiert ist.
Die verwendete Kunststoffmasse ist ein reaktives Harzsystem, das neben dem Harz und einem Härter noch weitere Inhaltsstoffe beinhalten kann. Vorzugsweise beinhaltet die Kunststoffmasse weiterhin ein internes Trennmittel. Dieses gelangt durch die kanalförmige Vertiefung zwischen Etikett und Formwerkzeug und erleichtert die Entformung.
Um das Fließen des Harzes in die Vertiefung zu gewährleisten, ragt die kanalförmige Vertiefung in ihrer Länge über das Etikett hinaus. Je nach Ausrichtung des Etiketts ist die Länge der Vertiefung somit größer als die Breite, die Länge oder die Diagonale des Etiketts.
Eine sichere Fixierung des Etiketts wird erzielt, indem in dem Fließhilfeabschnitt eine gitterförmige Anordnung kanalförmiger Vertiefungen ausgebildet ist. Die gitterförmige Anordnung wird durch mehrere kanalförmige Vertiefungen gebildet, die sich - vorzugsweise rechtwinklig - kreuzen. Beim Aushärten des Bauteils entsteht ein Harzgitter welches das Etikett sicher in das Bauteil integriert. Durch die sich kreuzenden kanalförmigen Vertiefungen wird die Befüllung der Gitterstruktur weitgehend unabhängig von der Richtung der Fließfront, welche die Kunststoffmasse im Werkzeug nimmt.
Die Breite und die Anordnung der kanalartigen Vertiefungen in der Gitterstruktur (z.B. der Abstand zueinander) wird vorzugsweise so gewählt, dass die kanalartigen Vertiefungen der gitterförmigen Anordnung weniger als 30 % (Prozent) der Fläche des Etiketts und besonders bevorzugt weniger als 20% der Fläche des Etiketts bedecken. Dementsprechend wird nach dem Ausbilden des faserverstärkten Bauteils weniger als 30% bzw. weniger als 20% des Etikettes von den gitterförmig angeordneten Harzstegen bedeckt.
In einer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass sich die gitterförmige Anordnung über eine Fläche erstreckt, die mindestens doppelt so groß ist wie die Fläche des Etiketts. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine höhere zulässige Abweichung beim Positionieren des Etiketts auf dem Faserhalbzeug. Zudem kann die Lage des Etiketts im Werkzeug in aufeinanderfolgenden RTM-Zyklen gezielt variiert werden, wodurch Bereiche der Werkzeuginnenwandung, die zuvor vom Etikett bedeckt waren, in dem nachfolgenden RTM-Zyklus wieder mit internem Trennmittel benetzt werden.
Eine gute Lesbarkeit des Etikettes in Verbindung mit einer ausreichenden Stabilität der Harzstege wird in einer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die Breite der kanalartigen Vertiefung im Bereich von 0,2 mm bis 5 mm liegt.
Der Fluss des Kunststoffmaterials in die gitterförmige Anordnung kann weiter verbessert werden, wenn diese in einer Ausgestaltung einen umlaufenden, die einzelnen kanalartigen Vertiefungen miteinander verbindenden Ringkanal aufweist.
Vorteilhafter Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Etikett verwendet werden, welches aus einem nicht durchtränkbaren Trägermaterial, wie z.B. einem beschichteten Papier oder einer Kunststofffolie, ausgebildet ist. Die Lesbarkeit eines solchen Etiketts ist deutlich besser als bei Etiketten, die aus durchtränkbarem Trägermaterial ausgebildet sind.
Das Verfahren ermöglicht die Verwendung von relativ großen Etiketten, die z.B. einen QR-Code, einen bar-Code oder einen sonstigen maschinenlesbaren Code aufweisen, welcher eine Vielzahl von bauteilspezifischen Informationen enthalten kann.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines RTM-Formwerkzeugs mit wenigstens zwei Werkzeugteilen, die im geschlossenen Zustand mit ihrer Innenwandung eine Kavität umschließen. Das RTM-Werkzeug weist in einem vorgegebenen Abschnitt seiner Innenwandung einen Fließhilfeabschnitt mit wenigstens einer kanalförmigen Vertiefung auf.
Wird ein Faserhalbzeug mit daran angebrachtem Etikett in das Werkzeug eingelegt, so dass das Etikett an dem Fließhilfeabschnitt zu liegen kommt, so schafft die kanalförmige Vertiefung einen Fließkanal für die im RTM-Prozess eingepresste Kunststoffmasse. Es wird sichergestellt, dass zumindest in dem Bereich der kanalförmigen Vertiefung die Kunststoffmasse zwischen Etikett und Werkzeugwandung fließt. Dort bildet sich bei der Aushärtung ein Harzsteg aus, der das Etikett sicher am faserverstärkten Bauteil fixiert und in dieses integriert. Beim Entformen löst sich das Etikett sicher mitsamt dem Bauteil aus dem Werkzeug.
Das Ablösen des Etiketts vom Werkzeug wird weiter verbessert, indem in dem Fließhilfeabschnitt eine gitterförmige Anordnung kanalförmiger Vertiefungen ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die gitterförmige Anordnung weiterhin einen umlaufenden, die einzelnen kanalartigen Vertiefungen miteinander verbindenden Ringkanal aufweist.
Bezüglich möglicher weiterer Ausgestaltungen der kanalförmigen Vertiefung bzw. der gitterförmigen Anordnung gilt das voranstehend zum Verfahren Beschriebene. Das RTM-Werkzeug wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

1 die wesentlichen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Ansicht,
2 eine Detailansicht des Fließhilfeabschnitts des RTM-Werkzeugs aus 1 in der Draufsicht,
3 eine Schnittansicht des Fließhilfeabschnitts aus 2,
4 eine Draufsicht auf ein in das faserverstärkte Bauteil integrierte Etikett und
5 eine Schnittansicht des Bauteils aus 4.

Bei dem Verfahren wird zunächst ein Faserhalbzeug 1 in Form eines Prepreg bereitgestellt. An dem Faserhalbzeug 1 wird ein Etikett 2 angebracht und dort fixiert. Beispielsweise ist das Etikett 2 ein mit einem QR-Code bedruckter Aufkleber, der auf die Oberfläche des Faserhalbzeugs 1 aufgeklebt wird.
Das mit dem Aufkleber versehene Faserhalbzeug wird in ein RTM-Werkzeug 3 eingelegt, dessen Kavität die Außenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils abbildet. Die Kavität des Werkzeugs wird durch die Innenwandung 4 und 5 der Werkzeugteile 6 und 7 begrenzt.
In dem Bereich, in dem das Etikett 2 in Anlage mit dem Werkzeug 3 kommt, ist die Werkzeugwandung 5 als Fließhilfeabschnitt 8 ausgebildet, wozu sie zumindest eine kanalförmige Vertiefung aufweist, die so lang ausgebildet ist, dass sie über das Etikett hinausragt.
2 zeigt eine Detailansicht eines beispielhaften Fließhilfeabschnitts 8 in der Draufsicht. In der Werkzeugwandung 5 sind mehrere kanalförmige Vertiefungen 10 bis 24 ausgebildet. Die Vertiefungen 10 bis 23 sind als sich kreuzförmig schneidende Geraden angeordnet und bilden eine gitterförmige Anordnung 25. Umlaufend werden die kanalförmigen Vertiefungen 10 bis 23 durch einen Ringkanal 24 verbunden.
Im Bereich der kanalförmigen Vertiefungen springt die Werkzeugwandung zurück, siehe die Schnittansicht A-A von 3. Wird nun ein Etikett in das RTM-Werkzeug 3 eingelegt und gegen den Fließhilfeabschnitt 8 gedrückt, so verbleibt im Bereich der kanalförmigen Vertiefungen ein Hohlraum zwischen Etikett 2 und Werkzeugwandung 5.
Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils wird eine aushärtbare Kunststoffmasse, z.B. ein mit Härter versetzter Epoxidharz, mittels eines Einfüllsystems 9 unter einem Druck von bis zu 80 bar in das geschlossene Werkzeug 3 injiziert. Dort durchtränkt die Kunststoffmasse das Faserhalbzeug und füllt die kanalförmigen Vertiefungen im Fließhilfeabschnitt.
Durch ein Aufheizen des RTM-Werkzeugs 3, wozu eine entsprechend temperierte Flüssigkeit durch Heizrohre 26 geleitet wird, wird die Kunststoffmatrix ausgehärtet und das faserverstärkte Kunststoffbauteil 30 hergestellt. Im Bereich des Fließhilfeabschnitts 8 entstehen in den mit Kunststoffmasse gefüllten kanalförmigen Vertiefungen 10 bis 24 Harzstege, welche das Etikett 2 überspannen und sicher am Bauteil 30 fixieren und in dieses integrieren. Die Breite und Tiefe der kanalförmigen Vertiefungen 10 bis 24 wird vorzugsweise so gewählt, dass einerseits eine ausreichende Stabilität der Harzstege und andererseits eine gute Lesbarkeit des Etikettes gewährleistet ist. Diesbezüglich ist es vorteilhaft, wenn die Breite B der kanalförmigen Vertiefungen im Bereich von 1 bis 5 mm liegt. Nach dem Aushärten kann das Bauteil 30 entformt werden, wobei sich das Etikett 2 zuverlässig von dem Werkzeug 3 löst.
4 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf das faserverstärkte Bauteil 30 mit integriertem Etikett 2. Das Etikett 2 ist durch eine gitterförmige Harzstruktur 31 überspannt, wobei die Harzstruktur 31 ein positives Abbild der kanalförmigen Vertiefungen 10 bis 24 von 2 ist.
5 zeigt eine Schnittansicht B-B des mit dem Verfahren hergestellten faserverstärkten Bauteils 30. Im Hauptkörper 32 liegt das in die Kunststoffmatrix eingebundene Faserhalbzeug 1 vor. An der Oberfläche des Hauptkörpers 32 ist das Etikett 2 angeordnet und wird durch die Harzstruktur 31 überspannt.
Die Breite der kanalförmigen Vertiefungen und der Abstand zueinander in der gitterförmigen Anordnung 25 sind vorzugsweise so gewählt, dass die resultierende Harzstruktur 31 weniger als 30 Prozent und vorzugsweise weniger als 20 Prozent der Fläche des Etiketts 2 bedeckt. Um größere Toleranzen bei der Positionierung des Etiketts zu ermöglichen, erstreckt sich die gitterförmige Anordnung 25 vorzugsweise über eine Fläche, die mindestens doppelt so groß ist wie die Fläche des Etiketts.
Die kanalförmigen Vertiefungen sind nicht auf eine bestimmte Querschnittsform beschränkt. Auch können die kanalförmigen Vertiefungen anstelle des gezeigten geraden Verlaufs ebenso einen gebogenen Verlauf aufweisen. Ebenso muss der Fließhilfeabschnitt nicht im Unterwerkzeug ausgebildet sein, sondern kann ebenso im Oberwerkzeug ausgebildet sein.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: Faserhalbzeug
2: Etikett
3: RTM-Werkzeug
4, 5: Innenwandung des Werkzeugs
6, 7: Werkzeugteile
8: Fließhilfeabschnitt
9: Einfüllsystem
10 bis 24: kanalförmige Vertiefungen
25: gitterförmige Anordnung
26: Heizrohre
30: faserverstärktes Kunststoffbauteil
31: Harzstruktur
32: Hauptkörper
B: Breite kanalförmige Vertiefung

Claims

Verfahren zur Kennzeichnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, mit den Schritten: Bereitstellen eines Faserhalbzeugs (1), aufbringen und fixieren eines Etiketts (2) auf dem Faserhalbzeug (1), einlegen des Faserhalbzeugs (1) mit Etikett (2) in ein Formwerkzeug (3) und schließen des Formwerkzeugs (3), infiltrieren des Faserhalbzeugs (1) mit einer Kunststoffmasse und aushärten im geschlossenen Formwerkzeug (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Etikett (2) an einem an der Werkzeuginnenwandung (5) ausgebildeten Fließhilfeabschnitt (8) mit gitterförmiger Anordnung (25) kanalförmiger Vertiefungen (10- 24) zu liegen kommt, von denen mindestens eine kanalförmige Vertiefung (10 - 24) in ihrer Länge über das Etikett (2) hinausragt und beim Aushärten ein Harzgitter entsteht, welches das Etikett (2) überspannt und in das Bauteil integriert.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalartigen Vertiefungen (10 - 24) in der gitterförmigen Anordnung (25) weniger als 30 Prozent der Fläche des Etiketts (2) oder weniger als 20 Prozent der Fläche des Etiketts (2) bedecken.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gitterförmige Anordnung (25) über eine Fläche erstreckt, die mindestens doppelt so groß ist wie die Fläche des Etiketts (2).
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (8) der kanalartigen Vertiefung (10 - 24) im Bereich von 0,2 mm bis 5 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterförmige Anordnung (25) einen umlaufenden, die einzelnen kanalartigen Vertiefungen miteinander verbindenden Ringkanal (24) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Etikett (2) aus einem nicht durchtränkbaren Trägermaterial ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Etikett (2) einen QR-Code, einen bar-Code oder einen sonstigen maschinenlesbaren Code aufweist.
Verwendung eines RTM-Werkzeugs zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Patentansprüche mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (6, 7), die im geschlossenen Zustand mit ihrer Innenwandung (4, 5) eine Kavität umschließen, wobei das RTM-Werkzeug (3) in einem vorgegebenen Abschnitt seiner Innenwandung (4, 5) einen Fließhilfeabschnitt (8) mit einer gitterförmigen Anordnung (25) kanalförmiger Vertiefungen (10 - 24) aufweist.