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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundformteils sowie ein Faserverbundformteil zur Verwendung als Strukturbauteil in einem Kraftfahrzeug.
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Wegen der flexibleren Formgebung und des niedrigen spezifischen Gewichts werden im Kraftfahrzeugbau verstärkt Faserverbundformteile eingesetzt. Sogenannte Hohlbauteile, bei denen zwischen wenigstens zwei äußeren Laminatschichten ein fast beliebig formbarer Hohlraum gestaltet werden kann, werden als Strukturbauteile verwendet und typischerweise im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) hergestellt, wobei ein vorgeschäumter Kern oder ein mit Wasser gefüllter Blasformkern erforderlich ist. Im Falle der Schaum-Kerne müssen diese prozessbedingt dem Druck einer Injektion des Matrixmaterials widerstehen und weisen dementsprechend zwingend ein verhältnismäßig hohes spezifisches Gewicht auf. Daher müssen die Schaum-Kerne nach dem Herstellerprozess aus dem Bauteil entfernt werden, weil sonst zu viel unnötiges Gewicht im Fahrzeug verbaut würde. Sogenannte Sandwichbauteile werden in Fahrzeugen für semistrukturelle Bauteile wie zum Beispiel Ladeböden verwendet. Diese werden normalerweise im Nasspressverfahren hergestellt. Die dazu erforderliche Einlegegenauigkeit kann bei der Fertigung nur erreicht werden, wenn der Kern zur Ausrichtung der Textilhalbzeuge zueinander verwendet wird. Daher können nur Bauteile mit voneinander beanstandeten Decklaminatschichten gefertigt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Faserverbundformteilen zu verbessern und dazu ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen. Mit diesen Verbesserungen sollen auch bessere und/oder wirtschaftlichere Faserverbundformteil bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundformteils mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundformteils mit den Merkmalen von Anspruch 7. Ein damit hergestelltes Faserverbundformteil wird in Anspruch 8 unter Schutz gestellt. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundformteils bereitgestellt, aufweisend zumindest folgende - in der angegebenen oder einer anderen sinnvollen Reihenfolge ausführbare - Schritte: i) Einlegen eines Textilhalbzeugs, das wenigstens eine erste Textilschicht und eine zweite Textilschicht aufweist, in ein Formwerkzeug mit einem Werkzeughohlraum, dessen Form an die gewünschte Außenkontur des Faserverbundformteils angepasst ist, ii) Auftragen eines aushärtbaren Matrixwerkstoffs auf das Textilhalbzeug, iii) Einbringen eines aufschäumenden Blähstoffs zwischen der ersten Textilschicht und der zweiten Textilschicht, iv) Schließen des Formwerkzeugs, v) Öffnen des Formwerkzeugs nach Ablauf einer vorbestimmten Aufschäum- und Aushärtzeit, wobei ggf. eine vorbestimmte Aushärt-Temperatur oder ein vorbestimmtes Aushärt-Temperaturprofil im Werkzeughohlraum aufgebracht wird.
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Gemäß unterschiedlichen Ausführungen ist das Faserverbundformteil als Sandwichformteil mit einem Formteilkern mit zumindest im Wesentlichen gleichbleibender Wandstärke zwischen den Laminatschichten ausgebildet oder als Freiform-Hohlformteil ausgebildet.
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Das Textilhalbzeug kann beispielsweise geflochten, gelegt und/oder gewebt sein. Als aushärtbarer Matrixwerkstoff kommen die fachüblich verwendeten Kunststoffe in den bekannten Verarbeitungsformen infrage, insbesondere flüssig aufgebrachtes Epoxydharz.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundformteils, insbesondere eines Faserverbundformteils gemäß einer Ausführung der Erfindung, bereitgestellt, die insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung betrieben werden kann. Die Vorrichtung weist auf: a) ein schließbares Formwerkzeug mit wenigstens einem ersten Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil, wobei die Innenkonturen der Werkzeugteile gemeinsam im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs einen Werkzeughohlraum abgrenzen, und b) einen Halbzeugträger zum Einlegen des Textilhalbzeugs in das Formwerkzeug. Der Halbzeugträger weist einen Blähstoffauslass auf, der dazu eingerichtet ist, beim Einlegen des Textilhalbzeugs, insbesondere beim Entfernen des Halbzeugträgers aus dem Formwerkzeug, den Blähstoff zwischen der ersten Textilschicht und der zweiten Textilschicht einzubringen. Der Halbzeugträger ist dazu insbesondere mit einer Blähstoffzufuhr verbunden, die eingerichtet ist, zu einem geeigneten Zeitpunkt Blähstoff an dem Blähstoffauslass abzugeben.
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Beim Einlegen des Halbzeugs ist gemäß einer Ausführung zwischen dem Halbzeugträger und dem Textilhalbzeug eine Trennschicht zur Trennung des Blähstoffs und des Textilhalbzeugs angeordnet, die beim Entfernen des Halbzeugträgers mit dem Textilhalbzeug im Werkzeughohlraum verbleibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Faserverbundformteil bereitgestellt. Das Faserverbundformteil dient insbesondere zur Verwendung als Strukturbauteil in einem Kraftfahrzeug und/oder ist insbesondere als Sandwichbauteil und/oder als Freiform-Hohlformteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung. Das Faserverbundformteil weist auf wenigstens zwei Laminatschichten, insbesondere mit jeweils einer Textilkomponente und einer Maxtrixkomponente, sowie einen Formteilkern aus einem Kunststoffschaum, der insbesondere einen gesamten Zwischenraum zwischen den Laminatschichten einnimmt. Der Kunststoffschaum weist dabei eine Dichte von weniger als 30 kg/m3, insbesondere von weniger als 20 kg/m3, vorzugsweise von weniger als 10 kg/m3, auf.
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Gemäß einer Ausführung liegt der aufschäumende Blähstoff bei seiner Applikation - beispielsweise aus dem Blähstoffauslass - in einer zähflüssigen Form vor. Bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit gibt beispielsweise eine exotherme Reaktion CO2 frei, die für die Aufschäumung des Blähstoffs sorgt.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, sich für die Laminatbildung des Textilhalbzeugs mit dem Matrixwerkstoff den Druck beim Aufschäumen des Blähstoffs zu Nutze zu machen. Der erst durch das Aufschäumen entstehende Formteilkern bringt von „innerhalb“ des Textilhalbzeugs den benötigten Druck auf, um den Matrixwerkstoff in die Zwischenräume der Textilschichten zu pressen.
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Dabei entsteht automatisch die gewünschte Außenform des Faserverbundformteils, weil der von innen kommende Druck die matrixgetränkten Textilschichten an die Innenkontur des Formwerkzeugs - also die Begrenzungswände des Werkzeughohlraums - drückt.
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Auf diese Weise ist es nicht mehr erforderlich, Schäume mit einem so hohen spezifischen Gewicht als Kerne zu verwenden, dass diese den externen Injektiondrücken bei einem Pressvorgang widerstehen können müssen. Der aufgeschäumte Blähstoff kann daher ohne großen Gewichtsnachteil als Formteilkern in einen derart gefertigten Hohlformteil verbleiben.
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Zudem stabilisieren sich derart hergestellte Sandwichbauteile bei der Fertigung gleichsam von selbst, sodass auch eine Zusammenführung der beiden Deck-Laminatschichten in einem umlaufenden Flansch möglich ist. Auf diese Weise können fluiddichte Sandwichformteile erstellt werden.
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Um das vorgefertigte Textilhalbzeug unmittelbar weiterverwenden zu können, wird gemäß einer Ausführung das Textilhalbzeug mittels eines Halbzeugträgers in das Formwerkzeug eingelegt. Beispielsweise kann dieser Halbzeugträger eine an die Erfordernisse der Erfindung angepasste Geflechtaufnahme einer Flechtmaschine sein.
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Gemäß einer Ausführung kann der Halbzeugträger dazu verwendet werden, den Blähstoff mittels eines Blähstoffauslasses des Halbzeugträgers zwischen der ersten Textilschicht und der zweiten Textilschicht einzubringen. Der Halbzeugträger ist dazu insbesondere mit einer Blähstoffzufuhr verbunden, die eingerichtet ist, zu einem geeigneten Zeitpunkt Blähstoff an der dem Blähstoffauslass abzugeben.
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Um möglichst viele Arbeitsschritte bereits vor dem Einlegen des Textilhalbzeugs in das Formwerkzeug erledigen zu können, wird gemäß einer Ausführung der Matrixwerkstoff auf dem Halbzeugträger auf das Textilhalbzeug aufgetragen.
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Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, möglichst viele Arbeitsschritte möglichst parallel durchzuführen. Gemäß einer Ausführung wird zum Auftragen des Matrixwerkstoffs auf das Textilhalbzeug a) zunächst ein erster Anteil des Matrixwerkstoffes in den Werkzeughohlraum, insbesondere unterhalb der vorgesehenen Einlegeposition der zweiten Textilschicht, eingebracht, b) dann das Textilhalbzeug in den Werkzeughohlraum eingelegt, und c) dann ein zweiter Anteil des Matrixwerkstoffes, insbesondere auf die erste Textilschicht, in den Werkzeughohlraum eingebracht.
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Vorteilhaft wird ein Blähstoff mit einer möglichst geringen Schadstoffbelastung gewählt. Gemäß einer Ausführung kann dazu der Blähstoff eine aufschäumbare Polyurethanmasse, insbesondere ein Mehrkomponenten-PUR-Schaum sein. Ein solcher Mehrkomponenten-PUR-Schaum weist a) eine Polyurethankomponente, b) eine Aufschäumkomponente wie beispielsweise Isocyanat und/oder Polyol, die mit dem Polyurethan und Luftfeuchtigkeit CO2 bildet, wodurch die Aufschäumung erfolgt, und c) eine geeignete Aushärtkomponente wie einen fachüblichen Vernetzer und/oder einen fachüblichen Härter auf. Beispielsweise kann auch ein klassischer Zwei-Komponenten-PUR-Montageschaum als Blähstoff verwendet werden, insbesondere ein isocyanatreduzierter Schaum mit einem Gehalt an Methylendiphenylisocyanat (MDI) von kleiner 1 %, insbesondere von kleiner 0,1 %.
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Um die Aufschäumung und den damit verbundenen Druckaufbau im Werkzeughohlraum zu unterstützen, ist/wird während der Aufschäum- und Aushärtzeit ein passiver und/oder ein aktiver Entlüftungsauslass aus dem Werkzeughohlraum geöffnet, wobei der aktive Entlüftungsauslass ggf. an einen geeigneten Unterdruckerzeuger angeschlossen ist.
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Um ein Faserverbundformteil zu ermöglichen, das dicht gegenüber eindringenden Medien ist, sind gemäß einer Ausführung die beiden Deck-Laminatschichten zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umlaufend miteinander verbunden, sodass sie wenigstens einen gemeinsamen Flansch ausbilden und insbesondere damit den Formteilkern zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umschließen.
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Um eine ungewünschte Reaktion zwischen dem Blähstoff einerseits und dem Textilhalbzeug und/oder dem Matrixmaterial andererseits zu vermeiden, ist gemäß einer Ausführung zwischen einer kernzugewandten Innenseite jeder der Laminatschichten einerseits und dem Formteilkern andererseits ein Trennelement, insbesondere eine Trennfolie beispielsweise aufweisend Zellstoff und/oder einen Kunststoff, angeordnet.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,
- 1 einen der Erfindung vorgelagerten Herstellungsschritt zur Herstellung eines Textilhalbzeugs, welches auf einen Halbzeugträger eine Vorrichtung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung geflochten wird, in einer Schrägansicht;
- 2 den Verfahrensschritt des Auftragens eines aushärtbaren Matrixwerkstoffs auf das Textilhalbzeug von 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht;
- 3 den Verfahrensschritt des Einbringens eines aufschäumenden Blähstoffs zwischen der ersten Textilschicht und der zweiten Textilschicht gemäß der ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht;
- 4 (alternativ zu den in den 2 und 3 dargestellten Verfahrensschritten) Verfahrensschritte gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung, bei welcher beide Schritte in dem Formwerkzeug durchgeführt werden, in einer geschnittenen Seitenansicht; und
- 5 a-c die weiteren Verfahrensschritte (identisch für die beiden Ausführungsbeispiele gemäß der 2 und 3 bzw. gemäß 4) gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Nachfolgend werden zwei unterschiedliche beispielhafte Ausführungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundformteils beschrieben.
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In beiden Ausführungen wird zunächst gemäß 1 mit einer Flechtmaschine 100 ein schlauchförmiges Textilhalbzeug 1 auf einen zylinderförmigen Halbzeugträger 2 geflochten (dieser Verfahrensschritt ist nicht Gegenstand der Erfindung bzw. der beispielhaften Ausführungen, sondern lediglich zum besseren Verständnis beschrieben; Lege- und/oder Webverfahren sind ebenfalls verwendbar). Der Halbzeugträger 2 ist eine Komponente einer beispielhaften Vorrichtung 3 zur Herstellung eines Faserverbundformteils und weist eine Blähstoff-Führung 4 mit einem Blähstoff-Auslass 6 auf. Nach Abschluss des Flechtvorgangs ist das Textilhalbzeug 1 auf einer Mantelfläche des Halbzeugträgers 2 angeordnet und kann einem der beiden beispielhaften Verfahren (gemäß 2/3 oder gemäß 4) zugeführt werden. Zwischen dem Halbzeugträger 2 und Textilhalbzeug 1 ist eine in 1 nicht dargestellte, als Kunststofffolie ausgebildete Trennschicht 8 angeordnet (vergleiche Bezugszeichen 8 in den weiteren Figuren).
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Die nachfolgenden Schritte gemäß der ersten beispielhaften Ausführung sind in den 2 und 3 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, wird zunächst ein flüssiges Epoxydharz als aushärtbarer Matrixwerkstoff 10 mittels eines Applikators 12 auf das Textilhalbzeug 1 aufgetragen. Um eine gleichmäßige Verteilung sicherzustellen, wird dabei der Halbzeugträger 2 um seine Längsachse gedreht.
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Der 3 ist zu entnehmen, wie die Vorrichtung 3 gemäß der ersten beispielhaften Ausführung zur Durchführung des beispielhaften Verfahrens verwendet wird. Ein Formwerkzeug 16 der Vorrichtung 3 weist einen oberen Werkzeugteil 18 und einem unteren Werkzeugteil 20 auf. Beide Werkzeugteile 18 und 20 weisen jeweils eine Ausnehmung 19 bzw. 21 auf, wobei die beiden Ausnehmungen 19 und 21 gemeinsam im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 16 einen Werkzeughohlraum 22 abgrenzen, dessen Form an die gewünschte Außenkontur des herzustellenden Faserverbundformteils angepasst ist. Das obere Werkzeugteil 18 weist zudem eine Entlüftung 23 auf.
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Im ersten Ausführungsbeispiel wird - wie in 3 dargestellt - das mit dem Matrixwerkstoff 10 getränkte Textilhalbzeug 1 auf dem Halbzeugträger 2 in den Werkzeughohlraum 22 eingeführt. Anschließend wird der Halbzeugträger 2 aus dem Hohlraum 22 herausgezogen, wobei das Textilhalbzeug 1 abgestriffen wird, damit es im Hohlraum 22 eingelegt verbleiben kann. Gleichzeitig wird aus dem Blähstoff-Auslass 6 eine Zwei-Komponenten-PUR-Masse als Blähstoff 24 zwischen einer ersten Textilschicht 26 oder zweiten Textilschicht 28 des Textilhalbzeugs 1 eingebracht.
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In 4 sind gemäß der zweiten beispielhaften Ausführung (zum Ausführungsbeispiel der 2 und 3 alternative) Verfahrensschritte beschrieben. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel erfolgen die Schritte des Auftragens des Matrixwerkstoffs 10 und des Einbringens des Blähstoffs 24 insbesondere verschränkt miteinander. Dazu kann die in 3 beschriebene Vorrichtung 3 ohne Anpassungen verwendet werden. Zunächst wird ein erster Anteil 10.1 des Matrixwerkstoffs, vorzugsweise ca. ein Drittel der vorgesehenen Masse, in der Ausnehmung 21 des unteren Werkzeugteils 20 aufgetragen. Anschließend wird, vorzugsweise gleichzeitig oder zumindest überschneidend, einerseits das Textilhalbzeug 1 eingelegt und der Blähstoff eingebracht (wie zu 3 beschrieben) sowie andererseits ein zweiter Anteil 10.2 des Matrixwerkstoffs, vorzugsweise ca. zwei Drittel der vorgesehenen Masse, auf die erste Textilschicht 26 aufgebracht.
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Die weiteren Verfahrensschritte sind in beiden Ausführungsbeispielen identisch und anhand der 5 a-c nachfolgend beschrieben. Nach dem Auftragen des Matrixwerkstoffs 10, dem Einbringen des Blähstoffs 24 und dem Entfernen des Halbzeugträgers 2 werden die Werkzeugteile 18 und 20 geschlossen (vergleiche weiße Pfeile in 5 a), während der Blähstoff 24 beginnt, aufzuschäumen. Durch die Aufschäumung des Blähstoffs 24 verdrängte Luft wird durch die Entlüftung 23 ausgeblasen (unterstützend kann auch ein Vakuum angelegt werden). Dazu kann der Halbzeugträger 2 an eine Blähstoff-Zuführung 25 angeschlossen werden.
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Die Masse und die Zusammensetzung des Brennstoffs ist in an sich fachüblicher Weise derart auf den Hohlraum 22 abgestimmt, dass ein Blähdruck von 2 bis 8 bar, insbesondere ca. 5 bar auf das Matrix-getränkte Textilhalbzeug 1 aufgebaut wird. Nötigenfalls kann die Entlüftung 24 zum Druckaufbau geschlossen werden. Zudem ist die Aushärtung des Matrixwerkstoffs so abgestimmt, dass sie erst nach vollständigen Druckaufbau durch den Blähstoff erfolgt.
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Entsprechend erfolgt die Vorbestimmung der benötigten Aufschäum- und Aushärtzeit. Beispielsweise kann bei der Verwendung von bekanntem Zwei-Komponenten-Montageschaum als Blähstoff und üblichem Epoxydharz als Matrixwerkstoff zur Ermittlung der benötigten Aufschäum- und Aushärtzeit auf Erfahrungswerte im Umgang mit diesen Materialien zurückgegriffen werden. Analoges gilt ggf. für die Vorbestimmung einer geeigneten Aushärt-Temperatur.
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In 5 b ist das Faserverbundformteil 30 bereits ausgehärtet mit einer ersten Laminatschicht 31 und einer zweiten Laminatschicht 32 sowie einem dazwischen angeordneten Formteilkern 33 dargestellt.
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Wie in 5 c dargestellt, werden anschließend die Werkzeugteile 18 und 20 geöffnet. Das Faserverbundformteil 30 kann entnommen und nötigenfalls spanend bearbeitet werden. Der aus dem Blähstoff aufgeschäumte Kunststoffschaum weist im Ausführungsbeispiel eine Dichte von 8 kg/m3, auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Textilhalbzeug
- 2
- Halbzeugträger
- 3
- Vorrichtung
- 4
- Blähstoff-Führung
- 6
- Blähstoff-Auslass
- 8
- Trennschicht
- 10
- Matrixwerkstoff
- 12
- Applikator
- 16
- Formwerkzeug
- 18
- oberer Werkzeugteil
- 19
- Ausnehmung
- 20
- unterer Werkzeugteil
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Werkzeughohlraum
- 23
- Entlüftung
- 24
- Blähstoff
- 25
- Blähstoff-Zuführung
- 26
- erste Textilschicht
- 28
- zweite Textilschicht
- 30
- Faserverbundformteil
- 31
- erste Laminatschicht
- 32
- zweite Laminatschicht
- 33
- Formteilkern
- 100
- Flechtmaschine
