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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, das nach dem RTM oder Nasspress-Verfahren ausgebildet wird.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen eine Faserverstärkung auf, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist. Beim Resin Transfer Moulding (RTM)-Verfahren wird ein meist vorgeformtes, trockenes Faserhalbzeug (Preform) in ein Formwerkzeug eingelegt. Üblicherweise weist das RTM-Werkzeug zwei Formhälften auf, die im geschlossenen Zustand eine Kavität umschließen und eine Negativform für das herzustellende Bauteil bilden. Nach dem Schließen des Formwerkzeugs wird ein reaktives Matrixmaterial, beispielsweise ein System aus Epoxidharz und Härter, in die Kavität injiziert, wo es die Zwischenräume des Faserhalbzeugs infiltriert. Unter Druck und bei erhöhter Temperatur härtet das Matrixmaterial zu dem faserverstärkten Kunststoffbauteil aus.
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Beim Nasspressen wird das Matrixmaterial bereits vor dem Schließen des Werkzeugs auf das Faserhalbzeug aufgetragen. Durch Schließen des Nasspresswerkzeugs wird das Matrixmaterial in der Kavität verteilt, infiltriert das Faserhalbzeug und härtet unter Druck und bei erhöhter Temperatur zum faserverstärkten Kunststoffbauteil aus.
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Aus Designgründen besteht der Wunsch, farbige Formen und Schriftzüge auf faserverstärkte Kunststoffbauteilen auszubilden. Für Anwendungen im Automobilbau sollen diese Farbakzente eine hohe Leuchtkraft und Konturschärfe besitzen und gegenüber mechanischen und anderen Belastungen eine hohe Haltbarkeit aufweisen.
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Bislang ist es aus der Druckschrift
DE 20 2008 012 433 U1 bekannt, farbige Akzente direkt auf die Preform aufzudrucken. Jedoch lässt sich mit diesem Verfahren nur eine unzureichende optische Qualität erzielen, zudem benötigt der Aufdruck eine Trocknung, was das Verfahren langsam macht.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Möglichkeit anzugeben, wie ein farbiger Akzent, wie z.B. ein Schriftzug oder Markenzeichen, auf ein RTM- oder Nasspress-Bauteil aufgebracht werden kann. Das Verfahren soll insbesondere einfach, schnell und prozesssicher sein.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils angegeben, bei dem ein Faserhalbzeug in einem geschlossenen RTM- oder Nasspress -Werkzeug mit Matrixmaterial infiltriert und zum Kunststoffbauteil ausgehärtet wird.
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Erfindungsgemäß erfolgen vor dem Schließen des RTM- oder Nasspress Werkzeugs die Schritte:
- - Aufsetzen einer Applikationshilfe an vorgegebener Position auf dem Faserhalbzeug,
- - Aufkleben eines Aufklebers auf das Faserhalbzeug, wozu ein den Aufkleber haltender Stempel in eine Stempelaufnahme in der Applikationshilfe eingebracht und formschlüssig in dieser geführt wird, bis der Aufkleber in Kontakt mit dem Faserhalbzeug gelangt und
- - Entfernen des Stempels und der Applikationshilfe.
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Die Applikationshilfe kann z.B. ein Kunststoff- oder Metallkörper sein. Sie wird an vorgegebener Position aufgesetzt, wodurch eine exakte relative Position der Applikationshilfe zum Faserhalbzeug gesichert ist. Um Sicherzustellen, dass die vorgegebene Position auf dem Faserhalbzeug eingehalten wird, kann die Applikationshilfe z.B. formschlüssig in drei Raumachsen auf dem Faserhalbzeug aufgesetzt werden. Beispielsweise kann hierzu ein Abschnitt der Applikationshilfe der Kontur des Faserhalbzeugs nachempfunden sein.
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Das Faserhalbzeug ist vorzugsweise ein trockenes, vorgeformtes Faserhalbzeug. Es kann eine oder mehrere Faserschichten aufweisen, die z.B. als Gelege, Gewebe, Geflecht, Vlies o.ä. vorliegen können. Die Faserschichten weisen Verstärkungsfasern auf, wobei das Verfahren nicht auf spezielle Verstärkungsfasern beschränkt ist. Beispielsweise können Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern alleine oder in Kombination in den Faserschichten enthalten sein.
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In der Applikationshilfe ist die Stempelaufnahme ausgebildet. Die Stempelaufnahme kann z.B. in der Art eines Schachtes durch die Applikationshilfe hindurchreichen. Die Stempelaufnahme dient der örtlich definierten Aufbringung des Aufklebers. Die Applikationshilfe wird derart auf dem Faserhalbzeug positioniert, dass die untere Öffnung der Stempelaufnahme auf dem Bereich des Faserhalbzeugs aufliegt, in dem der Aufkleber aufgeklebt werden soll.
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Weiterhin ist ein Stempel vorgesehen, der den Aufkleber hält. Stempel und Stempelaufnahme sind derart aufeinander abgestimmt, dass der Stempel formschlüssig in die Stempelaufnahme einbringbar ist, z.B. wird er durch die Seitenwände der Stempelaufnahme geführt.
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Dem Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, den Aufkleber vor der Injektion des Matrixwerkstoffs aufzubringen, damit dieser in die Kunststoffmatrix integriert werden kann. Hierdurch wird es möglich, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem dauerhaltbaren farbigen Schriftzug oder Motiv zu versehen. Der Aufkleber ist durch das Matrixmaterial vor mechanischem Verschleiß etwa durch Abrieb geschützt und - sofern ein UV-Filter im Matrixmaterial enthalten ist - auch vor Alterung durch UV-Licht.
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Durch die Verwendung eines bedruckten Aufklebers kann weiterhin eine deutlich bessere Farbintensität und ein höherer Schärfegrad erzielt werden, als dies durch direktes Bedrucken des Faserhalbzeugs möglich ist. Die Verwendung eines Aufklebers macht das Verfahren schnell, da der Aufkleber schon im Vorfeld der Bauteilherstellung produziert werden kann. Durch die Applikationshilfe kann der Aufkleber sicher, schnell und zuverlässig an der gewünschten Stelle positioniert werden, was dem Verfahren die nötige Prozesssicherheit verleiht. Die Applikationshilfe ermöglicht es weiterhin, den Aufkleber kurz vor oder während des Umsetzens des Faserhalbzeugs in das RTM- oder Nasspress-Werkzeug aufzubringen. Der Aufkleber ist also in einer Nebenzeit des eigentlichen Herstellungsverfahrens aufbringbar, der zusätzliche Schritt ist somit fertigungszeitneutral.
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In einer bevorzugten Gestaltung ist der Stempel ein Vakuumstempel und der Aufkleber wird durch Anlegen eines Vakuums am Stempel gehalten. Hierzu können an der dem Aufkleber zugewandten Aufnahmefläche des Stempels ein oder eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen sein, über die ein Vakuum anlegbar ist. Wird der Stempel in die Nähe des Aufklebers gebracht und ein Vakuum erzeugt, so wird der Aufkleber an die Aufnahmefläche gesaugt und dort gehalten. Vakuum als Haltekraft ist gut dosierbar und damit sowohl für großflächige als auch für sehr filigrane Aufkleber geeignet.
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Zur exakten, sicheren und reproduzierbaren Positionierung des Aufklebers am Stempel ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Aufkleber in einer Aufkleberaufnahme in definierter Position bereitgestellt wird, und der Vakuumstempel zur Aufnahme des Aufklebers formschlüssig in die Aufkleberaufnahme eingeführt wird. Die Aufkleberaufnahme ist dabei eine Art Schacht, in die der Aufkleber eingelegt wird. Durch die Form der Grundfläche des Schachtes und/oder der Seitenwände wird der Aufkleber formschlüssig in einer definierten Position in der Aufnahme gehalten. Da auch der Stempel formschlüssig in der Aufkleberaufnahme geführt wird, kann eine Fehlpositionierung des Aufklebers am Stempel, wie z.B. ein seitlicher Versatz, sicher vermieden werden.
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Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Aufkleberaufnahme in der Applikationshilfe angeordnet ist. Hierdurch wird der Aufkleber in unmittelbarer Nähe zum Ort des Aufklebens bereitgestellt. Dies verringert den Handlingsaufwand zum Aufkleben des Aufklebers. Weiterhin wird die Teileanzahl der zu positionierenden Teile verringert.
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Um sicherzustellen, dass der Aufkleber richtig in die Stempelaufnahme eingelegt wird, sind in einer Ausgestaltung die Aufkleberaufnahme und der Aufkleber so gestaltet, dass die Aufkleberaufnahme beim Einbringen des Aufklebers nur eine Ausrichtung desselben zulässt. Es gibt also nur eine einzige Ausrichtung, in der der Aufkleber knickfrei und vollständig in die Aufkleberaufnahme einbringbar ist. Der Aufkleber soll dabei mit seiner gesamten Fläche in Kontakt mit dem Boden der Aufkleberaufnahme kommen. Hierzu können z.B. die Stempelaufnahme und der Aufkleber asymmetrisch gestaltet sein, wobei die Fläche des Aufklebers mit der Bodenfläche der Aufkleberaufnahme übereinstimmen kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Stempel und die Aufkleberaufnahme derart gestaltet sind, dass die Aufkleberaufnahme beim Einbringen des Stempels nur eine Ausrichtung desselben zulässt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Stempel und die Stempelaufnahme derart gestaltet sind, dass die Stempelaufnahme beim Einbringen des Stempels nur eine Ausrichtung desselben zulässt.
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Stempel und Aufkleberaufnahme bzw. Stempel und Stempelaufnahme können also nach dem Poka Yoke-Prinzip derart ausgestaltet sein, dass sie nur in einer einzigen Lage ineinander bringbar sind. Hierdurch wird bei der Benutzung durch den Werker eine Fehlpositionierung sicher ausgeschlossen. Daraus folgt, dass der Aufkleber nicht nur in der gewünschten Position am Stempel sondern auch in der gewünschten Position auf dem Faserhalbzeug angebracht wird. Insbesondere in der Kombination erlaubt die Ausgestaltung von Aufkleberaufnahme, Stempel und Stempelaufnahme nach dem Poka Yoke-Prinzip eine besonders schnelle und prozesssichere Aufbringung des Aufklebers an der gewünschten Position in der gewünschten Ausrichtung. Die hierfür erforderliche Zeitspanne ist gering und reicht nicht über die zur Verfügung stehende Nebenzeit hinaus. Eine Fehlbedienung ist quasi ausgeschlossen, wodurch ein durch Fehlpositionierung begründeter Ausschuss vermieden werden kann.
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Der Aufkleber, welcher auf das Faserhalbzeug aufgeklebt wird, kann einen mehrschichtigen Aufbau haben, z.B. kann der Aufkleber eine Transferschicht, darauf eine Klebeschicht mit dem Aufdruck und darüber eine Trägerfolie aufweisen. Zum Aufkleben wird die Transferschicht abgezogen, wenn der Aufkleber am Stempel positioniert und von diesem gehalten wird, und der Aufkleber wird mit der Klebeschicht zuerst auf das Faserhalbzeug gepresst.
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In einer Ausgestaltung wird vor dem Schließen des RTM- oder Nasspress-Werkzeugs eine Trägerschicht, z.B. eine Folie, von dem aufgeklebten Aufkleber abgezogen. Dies ermöglicht es nur einen zuvor ausgestanzten Teilabschnitt des Aufklebers auf dem Faserhalbzeug zu belassen und den Rest des Aufklebers vollständig vom Faserhalbzeug zu entfernen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein filigraner Schriftzug oder Symbol abgebildet werden soll. Mit dieser Technik ist es möglich, über den Schriftzug oder das Symbol überstehende Randbereiche des Aufklebers zu entfernen. Dies hat den Vorteil, dass tatsächlich nur der bedruckte Bereich des Aufklebers auf dem Faserhalbzeug verbleibt und im RTM- oder Nasspress-Verfahren mit eingebunden wird. Optisch entsteht dadurch kein unerwünschter Umriss des Aufklebers, da der Rand des Aufklebers mit dem Symbol bzw. Schriftzug übereinstim mt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Aufkleber unter der Trägerfolie ein Glasfaserhalbzeug auf. Das Glasfaserhalbzeug bildet dann bei der Weiterverarbeitung im RTM- oder Nasspress-Werkzeug beispielsweise die oberste Deckschicht des Aufklebers. Durch die Verwendung eines Aufklebers mit Glasfaserhalbzeug kann im RTM- oder Nasspress-Prozess sichergestellt werden, dass das Matrixmaterial den Aufkleber vollständig einbindet. Das flüssige Matrixmaterial infiltriert das Glasfaserhalbzeug und bedeckt somit die Oberfläche des Aufklebers vollständig. Die infiltrierten Glasfasern sind dabei im Matrixmaterial quasi unsichtbar, so dass der darunter aufgebrachte Aufdruck einwandfrei zu erkennen ist.
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Zur exakten Positionierung und zur Reduzierung der erforderlichen Zeit ist es vorteilhaft, wenn die Applikationshilfe in einen Einlegegreifer integriert ist, mit dem das Faserhalbzeug in das RTM- oder Nasspress-Werkzeug eingelegt wird. Üblicherweise wird das Faserhalbzeug in einem Preform-Schritt vorgeformt. Das vorgeformte Faserhalbzeug wird von einem Einlegegreifer gegriffen und z.B. in das RTM-Werkzeug umgesetzt, wo es in der Kavität desselben mit Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet wird. Der Einlegegreifer nimmt das Faserhalbzeug dabei in vorgegebener Position auf. Indem die Applikationshilfe fest am Einlegegreifer montiert wird, kann einerseits die exakte Positionierung der Applikationshilfe am Faserhalbzeug auf einfache Art und Weise realisiert werden. Zudem steht während des Umsetzens des Faserhalbzeugs eine Nebenzeit zur Verfügung, die zur Aufbringung des Aufklebers genutzt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der auf das Faserhalbzeug aufgesetzten Applikationshilfe und des Stempels,
- 2 bis 6 eine Schnittansicht A-A zu verschiedenen Stadien des Verfahrens und
- 7 eine Schnittansicht des Faserhalbzeug mit appliziertem Aufkleber.
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Zunächst wird das für die Herstellung des faserverstärkten Bauteils vorgesehene Faserhalbzeug 10 hergestellt und vorgeformt. Bei dem Faserhalbzeug 10 handelt es sich beispielsweise um einen trockenen vorgeformten Stack aus Kohlenstofffasern. Eine Applikationshilfe 20 wird auf das Faserhalbzeug 10 aufgelegt, wobei sie an der Stelle, an der der Aufkleber aufgebracht werden soll, in vorgegebener Position ausgerichtet wird. Dies kann z.B. durch Formschluss in allen drei Raumachsen erfolgen. Hierzu kann, wie in 1 gezeigt, die Applikationshilfe beispielsweise mit entsprechenden Anlageflächen in Anlage mit dem Faserhalbzeug 10 gebracht werden. Alternativ kann die Applikationshilfe auch fest an einem Einlegegreifer montiert sein, der die Applikationshilfe auf dem Faserhalbzeug 10 aufsetzt und wiederum selbst an dem Faserhalbzeug ausgerichtet wird.
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In der Applikationshilfe 20 sind eine Aufkleberaufnahme 22 und eine Stempelaufnahme 24 ausgebildet. Beide sind als schachtförmige Vertiefungen ausgestaltet, wobei die Aufkleberaufnahme 22 durch eine Bodenfläche begrenzt ist und die Stempelaufnahme 24 eine Durchgangsöffnung in der Applikationshilfe 20 ist, die bis auf das darunter liegende Faserhalbzeug 10 reicht (siehe 2).
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Ein Stempel 30 ist derart ausgestaltet, dass er sowohl in die Aufkleberaufnahme 22 als auch in die Stempelaufnahme 24 einbringbar ist. Der Stempel 30 wird dabei durch die jeweiligen Seitenwände der Aufnahmen 22 bzw. 24 formschlüssig geführt. Der Stempelquerschnitt kann - wie in 1 gezeigt - im Wesentlichen dem Öffnungsquerschnitt der Aufnahme 22 und 24 entsprechen. Hierbei kann der Öffnungsquerschnitt vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet sein, wodurch der Stempel 30 nur in einer einzigen Position in die Aufnahme 22 bzw. 24 einbringbar ist.
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Zunächst wird, wie in 2 gezeigt, ein in das Bauteil zu integrierender Aufkleber 40 in die Aufkleberaufnahme 22 eingelegt. Die Aufkleberaufnahme 22 ist derart gestaltet, dass der Aufkleber 40 formschlüssig in der Aufkleberaufnahme 22 aufgenommen werden kann, wobei die Aufkleberaufnahme 22 beim Einbringen nur eine Ausrichtung des Aufklebers 40 zulässt. Der Aufkleber wird auf der Bodenfläche der Aufkleberaufnahme 22 abgelegt. Anschließend wird in 3 der Stempel 30, welcher vorzugsweise als Vakuumstempel ausgebildet ist, in die Aufkleberaufnahme 22 eingebracht, bis er nahe am oder in Kontakt mit dem Aufkleber 40 gelangt. An der dem Aufkleber zugewandten Aufnahmefläche des Stempels 30 sind Öffnungen ausgebildet, durch die in bekannter Weise ein Vakuum angelegt wird. Hierdurch wird der Aufkleber 40 an der Aufnahmefläche des Stempels angesaugt und dort kraftschlüssig gehalten.
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Der Stempel 30 wird unter Aufrechterhaltung des Vakuums aus der Aufkleberaufnahme 22 herausgezogen, wobei der Aufkleber 40 mit entfernt wird, siehe 4. Der Aufkleber 40 ist nun in exakt definierter Position am Stempel gehalten. Anschließend kann von dem Aufkleber 40 durch Entfernen einer Transferschicht 42, z.B. in Form eines Transferpapiers, eine Klebeschicht 44 freigelegt werden.
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Wie in 5 gezeigt, wird der den Aufkleber 40 haltende Stempel 30 in die Stempelaufnahme 24 der Applikationshilfe 20 eingeführt. Die Stempelaufnahme 24 ist derart gestaltet, dass sie wiederum nur eine einzige Ausrichtung des Stempels 30 zulässt. Der Stempel 30 wird in die Stempelaufnahme 24 formschlüssig eingebracht und soweit vorgeschoben, bis der Aufkleber auf dem Faserhalbzeug aufsetzt. Der Aufkleber 40 wird aufgedrückt.
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Das Vakuum wird abgeschaltet und der Stempel 30 wird aus der Stempelaufnahme 24 entfernt, siehe 6. Eine den Aufkleber bedeckende Trägerschicht, z.B. eine Trägerfolie wird abgezogen. Hierbei können vorausgestanzte Teilbereiche des restlichen Aufklebers mit entfernt werden. Auf dem Faserhalbzeug verbleibt der Anteil des Aufklebers 40, welcher im nachfolgenden RTM Prozess weiterverarbeitet werden soll.
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Die Applikationshilfe 20 wird entfernt (7) und das Faserhalbzeug 10 wird in ein (nicht dargestelltes) RTM-Werkzeug eingebracht, dort mit einer Kunststoffmatrix infiltriert und ausgehärtet. Der auf das Faserhalbzeug 10 applizierte Aufkleber 40 weist neben der bedruckten Klebeschicht 44 weiterhin eine Abdeckschicht 46 in Form eines Glasfaservlieses auf. Dieses wird verwendet um sicherzustellen, dass der Aufkleber mit Matrixmaterial bedeckt wird und vollständig in dasselbe eingebunden wird.
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Nach dem Aushärten des Matrixmaterials kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil, in das der Aufkleber integriert ist, dem RTM -Werkzeug entnommen werden.
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Das Verfahren ist beispielhaft für ein RTM-Verfahren beschrieben. Es kann ebenso in einem Nasspressverfahren Anwendung finden. Dann wird als Faserhalbzeug ein bereits mit Matrixmaterial vorgetränktes Halbzeug in dem Nasspress-Werkzeug verpresst. Die weiteren Verfahrensschritte erfolgen analog zum RTM-Verfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Faserhalbzeug
- 20
- Applikationshilfe
- 22
- Aufkleberaufnahme
- 24
- Stempelaufnahme
- 30
- Stempel
- 40
- Aufkleber
- 42
- Transferschicht
- 44
- bedruckte Klebeschicht
- 46
- Glasfaservlies
- 48
- Trägerschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008012433 U1 [0005]
