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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie ein faserverstärktes Kunststoffbauteil.
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Im Rahmen des Leichtbaus finden zunehmend auch faserverstärkte Kunststoffbauteile Verwendung in Fahrzeugkarosserien. Diese weisen üblicherweise ein Matrixmaterial aus Kunststoff auf, in das zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und mechanischen Kennwerte eine Faserverstärkung eingebettet ist. Die Faserverstärkung kann aus einer oder mehreren Schichten von Verstärkungsfasern gebildet werden, die als Gewebe, Gelege, Geflecht oder in anderer Form vorliegen. Die Herstellung derartiger faserverstärkte Kunststoffbauteile erfolgt zum Beispiel im Resin-Transfer-Moulding (RTM)-Verfahren.
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Sollen Bauteile in Carbon-Sichtoptik hergestellt werden, dann wird üblicherweise ein Matrixmaterial verwendet, das transparent aushärtet und durch das die oberste Faserschicht (dann typischerweise ein Carbon-Geflecht oder Gewebe) sichtbar bleibt. Wünschenswert sind weitere farbliche Gestaltungsspielräume bei der Herstellung derartiger Kunststoffbauteile.
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Aus dem Gebrauchsmuster
DE 20 2008 012 433 U1 ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem Fasergewebe bekannt, wobei das Fasergewebe mit Motiven versehen ist und das Matrixmaterial in das Fasermaterial infiltriert ist und die Motive bedeckt. Die Motive können auf das Fasergewebe mittels Tintenstrahldruck aufgedruckt oder mittels Schablone aufgesprüht sein.
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Derartig eingebrachte Motive eignen sich nicht für die Herstellung von Fahrzeugbauteilen, an die hohe Anforderungen bezüglich der Konturen der Motive, der Farbbrillanz, der Farbtiefe und der UV-Beständigkeit gestellt werden. Im RTM-Werkzeug neigt Farbe, die im Tintendruckverfahren aufgebracht wurde, dazu zu verlaufen, wodurch die Konturen unscharf werden. Aufgesprühte Farbschichten bereiten Probleme bei der vollständigen Einbindung in das Matrixmaterial.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie ein mit einem Motiv verziertes faserverstärktes Kunststoffbauteil in der Serienfertigung herstellbar ist, insbesondere soll ein Bauteil in Carbon-Sichtoptik herstellbar sein. Weiterhin soll ein Fahrzeugbauteil angegeben werden, dass mit einem Motiv verziert ist, das den optischen Anforderungen im Automobilbau genügt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Fahrzeugbauteil nach Patentanspruch 7. 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, wozu ein die Faserverstärkung bildendes Faserhalbzeug in einem RTM-Werkzeug mit Matrixmaterial infiltriert wird und ausgehärtet wird zur Bildung des Kunststoffbauteils.
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Erfindungsgemäß wird nun ein textiles Einlegeteil, das aus Polyester gebildet ist, mit einem Motiv im Sublimationsdruckverfahren bedruckt. Das derart bedruckte Einlegeteil wird, ggf. nach einem erfolgten Zuschnitt, zusätzlich zum Faserhalbzeug in das RTM-Werkzeug eingelegt.
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Weiterhin wird ein faserverstärkte Kunststoffbauteil angegeben, das eine Faserverstärkung, die in einem Matrixmaterial eingebettet ist, und ein durch Sublimationsdruck mit einem Motiv bedrucktes, textiles Einlegeteil beinhaltet. Das textile Einlegeteil ist auf der Faserverstärkung angeordnet und in das Matrixmaterial eingebettet.
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Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann insbesondere ein Fahrzeugbauteil, dass z.B. ein Karosseriebauteil oder - anbauteil sein. Es kann insbesondere mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden und beinhaltet daher dieselben technischen Wirkungen und Vorteile.
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Der Sublimationsdruck ist eine Sonderform des Transferdruckverfahrens. Ein spezielles Trägermaterial wird mit Sublimationsfarbe oder Sublimationstinten in dem gewünschten Motiv bedruckt. Das Motiv kann beispielsweise ein Schriftzug, ein Markenemblem o.ä. sein. Beim anschließenden Thermotransfer auf das textile Einlegeteil wird die Sublimationsfarbe stark erwärmt. Die Farbe wechselt den Aggregatzustand, wird gasförmig und subliniert direkt in die Polyesterfasern des textilen Einlegeteils und färbt diese ein. Im Gegensatz zu anderen Druckverfahren entsteht das Motiv somit sozusagen im Gewebe selbst. Der Druckvorgang an sich ist nur der erste Schritt des Sublimationsdrucks. Für eine gelungene Sublimation sind Hitze und Druck erforderlich. Hitzepressen sind in verschiedenen Größen und Formen erhältlich, für die Roll-to-Roll Sublimation wird ein Kalander eingesetzt. Die Temperatur beim Sublimationsverfahren sollte mindestens 180 Grad betragen. Deshalb wird erfindungsgemäß ein vorgeschrumpftes Polyestertextil eingesetzt um ein Schrumpfen während der Sublimation zu verhindern. Bei Temperaturen zwischen beispielsweise 180 bis 200 Grad C und einer Expositionszeit von ca. 1 Minute werden Transferpapier und Polymerfasern gleichzeitig aufgeheizt und somit der Transfer der Farbe ermöglicht.
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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. Vorzugsweise ist das Faserhalbzeug ein Carbon-Gewebe.
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Erfindungsgemäß ist das textile Einlegeteil aus Polyester gebildet, vorzugsweise besteht das textile Einlegeteil vollständig aus Polyester. Polyester zeigt eine gute thermische Beständigkeit gegenüber den im RTM-Werkzeug und im Druckwerkzeug vorherrschenden hohen Temperaturen von bis zu 200 Grad. Die weißen Polyesterfasern nehmen die Farbe beim Sublimationsdruck gut auf. Darüber hinaus saugen sie sich im RTM-Werkzeug mit dem Matrixmaterial voll. Dabei zeigen die Polyesterfasern die vorteilhafte Eigenschaft, dass sie (annähernd) transparent werden. („Nass-Effekt“). Hierdurch wird die hinter dem Einlegeteil liegende Faserverstärkung zum Teil sichtbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das textile Einlegteil eine Maschenware, insbesondere ein Gewirk. Eine Maschenware ist ein Flächengebilde, das aus einem oder mehreren Fäden oder aus einem oder mehreren Fadensystemen durch Maschenbildung hergestellt ist. Bei den Maschenwaren wird eine Fadenschlinge in eine andere geschlungen. Zur Erzeugung eines Gewirks bildet der Faden übereinanderstehende Maschen, d.h. der Faden verläuft senkrecht und bildet mit dem benachbarten Faden ein Maschenstäbchen, während beim Stricken eine Masche neben der anderen hergestellt wird, der Faden somit verläuft horizontal. Die vorhandenen Maschen schaffen Zwischenräume zwischen den Fasersträngen. Diese füllen sich mit Matrixmaterial und bilden eine Vielzahl von „Tunneln“, durch die das darunter liegende Material angebunden ist. Maschenware zeigt gegenüber Gewebe oder Vlies gleicher Gravur eine deutlich höhere Durchlässigkeit für Matrixmaterial. Zwischen den Maschen sind jeweils tunnelförmige Hohlräume vorhanden, durch die das Matrixmaterial relativ widerstandsfrei fließen kann, hierdurch wird trotz der Elastizität der Maschenware ein Verrutschen oder Verziehen des Einlegeteils während des Infiltrationsprozesses verhindert. Die Maschen im Motivbereich sind durch die Thermosublimation quasi mit Farbe „durchtränkt“. Aufgrund der Maschenstruktur wird das Garn in der Maschenware allseitig von Matrixmaterial umschlossen. Ein Verwischen oder Verschwimmen der Farbe wird vermieden. Ebenso zeigt das Einlegeteil als Maschenware eine deutlich höhere UV-Stabilität als vergleichbare Drucke auf Gewebe oder Vlies. Auch dies wird auf die Maschenstruktur zurückgeführt. Durch die tunnelartigen Maschenzwischenräume kann die darunter liegende Struktur der Faserverstärkung durchscheinen. Das menschliche Auge kombiniert dabei die Farberscheinung des Musters mit der Strukturerscheinung der Zwischenräume, so dass das Muster im fertigen Bauteil so erscheint, als wäre es auf die Faserverstärkung direkt aufgedruckt.
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Um eine optisch einwandfreie Klass-A Oberfläche und gleichzeitig eine brillante Farbtiefe und Sättigung zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das textile Einlegeteil eine Gravur im Bereich von 60 g/m2 bis 110 g/m2 aufweist. Ein Polyester-Gewirk mit dieser Gravur hat zusätzlich den Vorteil, dass es in das RTM-Werkzeug eingebracht werden kann, ohne dass eine Werkzeugänderung oder eine Prozessanpassung erforderlich ist.
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Das textile Einlegeteil und das Faserhalbzeug, welches die Faserverstärkung bildet, werden in das RTM-Werkzeug eingelegt. Damit das Muster später sichtbar ist, wird das textile Einlegeteil vorzugsweise so in das Werkzeug eingelegt, dass es im fertigen Bauteil die Sichtseite bildet, d.h. von der Sichtseite aus betrachtet bildet das textile Einlegeteil die oberste Faserschicht im fertigen Bauteil. Mit anderen Worten wird das textile Einlegeteil vorzugsweise auf eine der Sichtseite des Bauteils zugewandten Seite der Faserverstärkung angeordnet.
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Das RTM-Werkzeug wird geschlossen und die Kavität wird mit Matrixmaterial gefüllt, wobei Faserhalbzeug und textiles Einlegeteil mit dem Matrixmaterial infiltriert werden. Im Bereich des textilen Einlegeteils ist die Werkzeugwandung des RTM-Werkzeugs vorzugsweise angussfrei und ohne sonstige Fließhilfeabschnitte ausgebildet.
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Das verwendete Matrixmaterial ist vorzugsweise ein reaktives Harzsystem, das neben dem Harz und einem Härter noch weitere Inhaltsstoffe beinhalten kann. Vorzugsweise beinhaltet die Kunststoffmasse weiterhin ein internes Trennmittel. Das Matrixmaterial ist beispielsweise ein transparent aushärtendes Harzsystem, wobei je nach gewünschtem Erscheinungsbild des Bauteils auch die Zugabe von Farbstoffen denkbar ist.
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Zur Aushärtung des Matrixmaterials wird das Werkzeug temperiert. Um die für die Serienfertigung erforderlichen geringen Aushärtezeiten zu erreichen, wird das RTM-Werkzeug auf mindestens 100 Grad Celsius aufgeheizt. Nach einer vorgegebenen Reaktionszeit wird das Werkzeug geöffnet und das Bauteil kann entnommen werden. Eventuell findet eine weitere Bearbeitung statt, wie z:B. ein Zuschnitt.
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Das Verfahren kann in herkömmlichen RTM-Prozessen und RTM-Werkzeugen ohne Anpassung der Verfahrensparameter umgesetzt werden. Durch die voranstehend geschilderten Vorteile eignet sich das Verfahren besonders zur Herstellung von Bauteilen in Serienprozessen bis hin zur Großserie und damit für die Fahrzeugindustrie. Bei Bauteilen in Sichtcarbon-Optik kann ein Erscheinungsbild erzeugt werden, als wenn ohne textiles Einlegeteil gearbeitet würde. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem Verfahren ein Fahrzeugbauteil, wie z.B. ein Karosseriebauteil oder Karosserieanbauteil hergestellt.
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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 eines beispielhaften Verfahrensablaufs,
- 2A eine Schnittansicht eines Fahrzeugbauteils und
- 2B eine Draufsicht auf das Fahrzeugbauteil aus 2A.
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Bei dem Verfahren wird zunächst ein textiles Einlegeteil 1 mit einem Motiv 2, hier einem Schriftzug, bedruckt. Das Motiv 2 kann ebenso beispielsweise ein Markenemblem o.ä. sein. Das textile Einlegeteil 1 ist vorzugsweise ein Polyester-Gewirk mit einer Gravur im Bereich von 60 g/m2 bis 110 g/m2. Das Bedrucken erfolgt im bekannten Thermosublimationsdruck mit geeigneten Farben. Um ein Schrumpfen während des Druckens oder des RTM-Prozesses zu vermeiden, wird eine vorgeschrumpfte Maschenware verwendet.
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Das textile Einlegeteil 1 wird in ein RTM-Werkzeug 3 eingelegt, dessen Kavität die Außenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils abbildet. Die Kavität wird durch die Innenwandung 4, 5 der Werkzeugteile 6 und 7 begrenzt.
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Das Motiv 2 auf dem textilen Einlegeteil 1 soll später im fertigen Bauteil sichtbar sein. Deshalb wird es im RTM-Werkzeug 3 vorzugsweise so platziert, dass das Motiv 2 der Innenwandung 5 zugewandt ist. Anschließend wird ein vorgeformtes Faserhalbzeug 8 als Preform in das RTM-Werkzeug 3 und auf das textile Einlegeteil 1 eingelegt. Das Faserhalbzeug 8 bildet die spätere Faserverstärkung im Bauteil. Das textile Einlegeteil 1 leistet keinen nennenswerten Beitrag zur Festigkeit des Bauteils.
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Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils wird ein aushärtbares Matrixmaterial 9, z.B. ein mit Härter versetzter Epoxidharz, mittels eines nicht dargestellten Einfüllsystems unter Druck in das geschlossene RTM-Werkzeug 3 injiziert. Dort durchtränkt die Kunststoffmasse das Faserhalbzeug 8 und das textile Einlegeteil 1. Hierbei nehmen die Polyesterfasern das Matrixmaterial teilweise auf.
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Durch ein Aufheizen des RTM-Werkzeugs 3, wozu eine entsprechend temperierte Flüssigkeit durch Heizrohre 10 geleitet wird, wird das Matrixmaterial ausgehärtet und das faserverstärkte Kunststoffbauteil 20 hergestellt.
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2A zeigt eine Schnittansicht durch das Kunststoffbauteil 20, welches mit dem Verfahren in 1 hergestellt wurde. Bei dem Kunststoffbauteil 20 handelt es sich um ein Fahrzeugbauteil, wie beispielsweise ein Fahrzeugdach oder ein anderes Karosserie(an)bauteil. Das Kunststoffbauteil 20 beinhaltet die in das Matrixmaterial 9 eingebundene Faserverstärkung 8, welche aus mehreren Schichten von Carbonfaser-Gewebe gebildet ist. Da als Matrixmaterial 9 ein durchsichtig aushärtendes Harzsystem verwendet wurde, bleibt die Carbon-Struktur im fertigen Kunststoffbauteil 20 sichtbar. Auf der Sichtseite 22 des Kunststoffbauteils 20 ist das textile Einlegeteil 1 in die Kunststoffmatrix 9 eingebunden. Hierbei sind die nicht mit dem Motiv 2 bedruckten Polyesterfasern, welche unter dem Einfluss des Harzsystems ebenfalls durchsichtig geblieben bzw. geworden sind, für das Auge quasi unsichtbar. Die darunterliegende Carbon-Struktur 24 ist weiterhin sichtbar. Auch im Bereich des Motivs ist die Carbon-Struktur noch erkennbar, da aufgrund des eingesetzten Materials und Druckverfahrens die Maschenzwischenräume nicht mit Farbe gefüllt sind und die darunterliegende Gewebestruktur noch durchscheinen lassen. 2B zeigt eine Draufsicht auf die Sichtseite 22 des Kunststoffbauteils 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- textiles Einlegeteil
- 2
- Motiv
- 3
- RTM-Werkzeug
- 4,5
- Innenwandung
- 6, 7
- Werkzeugteile
- 8
- Faserhalbzeug
- 9
- Matrixmaterial
- 10
- Heizrohre
- 20
- faserverstärktes Bauteil
- 22
- Sichtseite
- 24
- Carbon-Struktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008012433 U1 [0004]
