DE102018215375A1 - Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils sowie Außenhautbauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils sowie Außenhautbauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils, mit den Schritten:
Bereitstellen einer Musterlage (10) aus einem porösen Material, welches erste Bereiche (12) mit einer ersten Porosität und zweite Bereiche (14) mit einer zweiten Porosität aufweist, wobei die Bereiche mit gleicher Porosität ein Flächenmuster bilden,
Aufbringen mindestens einer Decklage (20, 30) einer Faserverstärkung auf die Musterlage (10),
Verpressen von Decklage (20, 30) und Musterlage (10) in einem Formwerkzeug (40) unter Infiltrierung der Decklage (20, 30) und der Musterlage (10) mit einem Matrixmaterial,
Aushärten des Matrixmaterials.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils sowie Außenhautbauteil, insbesondere eines Fahrzeugdachs.
  • Im Rahmen des Leichtbaus werden Karosseriebauteile zunehmend als faserverstärkte Kunststoffbauteile anstelle von Metallbauteilen hergestellt. Faserverstärkte Kunststoffbauteile enthalten Verstärkungsfasern, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Aus Gründen der Werkstofffestigkeit werden meist gerichtete Fasern verwendet, die in einer oder mehreren Faserlagen angeordnet sind, die in unterschiedlichen Richtungen verlegt werden. Hierzu werden Faserhalbzeuge verwendet, die z.B. als vorfixierte Gewebe oder Gelege, als trockene Fasern oder in vorimprägnierter Form vorliegen können. Die Weiterverarbeitung erfolgt z.B. im Nasspressverfahren oder RTM-Verfahren. Ein derart hergestelltes Außenhautbauteil ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2016 220 806 A1 bekannt.
  • Bei der Herstellung von Außenhautbauteilen werden große Anstrengungen unternommen, damit die Außenhaut eine definierte Oberfläche erhält. Bislang zielen alle Bemühungen darauf ab, eine möglichst glatte Oberfläche zu erhalten.
  • Aus Designgründen besteht der Wunsch nach einer weiteren Individualisierungsmöglichkeit im äußeren Erscheinungsbild von Außenhautbauteilen.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine einfache Möglichkeit aufzuzeigen, wie das äußere Erscheinungsbild von Außenhautbauteilen weiter individualisiert werden kann. Die Möglichkeit soll insbesondere einfach und kostengünstig umzusetzen sein.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils angegeben, das die Schritte beinhaltet:
    • - Bereitstellen einer Musterlage aus einem porösen Material, welches erste Bereiche mit einer ersten Porosität und zweite Bereiche mit einer zweiten Porosität aufweist, wobei die Bereiche mit gleicher Porosität ein Flächenmuster bilden,
    • - Aufbringen mindestens einer Decklage von Verstärkungsfasern auf die Musterlage,
    • - Verpressen von Decklage und Musterlage in einem Formwerkzeug unter Infiltrierung der Decklage und der Musterlage mit einem Matrixmaterial, und
    • - Aushärten des Matrixmaterials.
  • Weiterhin wird ein Außenhautbauteil angegeben, das mindestens eine Decklage aus einer Faserverstärkung und eine Musterlage beinhaltet. Die Musterlage ist aus einem porösen Material, wie z.B. einem offenporigen Schaum, gebildet mit ersten Bereichen einer ersten Porosität und zweiten Bereichen einer zweiten Porosität, wobei die Bereiche gleicher Porosität ein Flächenmuster bilden. Weiterhin beinhaltet das Außenhautbauteil ein Matrixmaterial, das die Decklage und die Musterlage infiltriert und einbettet, wobei das Flächenmuster als dreidimensionale Struktur auf den Oberflächen des Außenhautbauteil abgebildet ist.
  • Durch die Verwendung der Musterlage wird es auf einfache Art und Weise möglich, ein definiertes Muster auf der Oberfläche des Außenhautbauteil abzubilden. Aufgrund der voneinander verschiedenen ersten und zweiten Porosität in der Musterlage ist diese in der Lage Matrixmaterial in den ersten und zweiten Bereichen in unterschiedlichem Maße aufzunehmen. Bereiche mit hoher Porosität können mehr Matrixmaterial aufnehmen als Bereiche mit geringerer Porosität. Beim anschließenden Aushärteprozess kommt es zu einem Materialschwund. Dieser steht in Relation zur Menge an Matrixmaterial. Bereiche, in denen eine größere Menge Matrixmaterial aufgenommen ist, zeigen ein stärkeres Schrumpfungsverhalten. Folglich wird in den Bereichen mit höherer Porosität, d.h. höherem Matrixmaterialanteil, eine stärkere Schrumpfung auftreten als in den Bereichen mit geringerer Porosität. Der unterschiedliche Materialschwund wird als Konturverlauf an der Oberfläche des Außenhautbauteils sichtbar. Die Musterlage wirkt dabei als Vorlage für das an der Oberfläche erzeugte Muster.
  • Die ersten und zweiten Bereiche der Musterlage werden aufgrund der unterschiedlichen Porositäten in unterschiedlichem Maße mit Matrixmaterial infiltriert. Dies geschieht unter Druck, wobei die Musterlage ebenfalls zusammengepresst wird. Wird anschließend das Formwerkzeug geöffnet, so relaxieren diejenigen Abschnitte der Musterlage, die nicht mit Matrixmaterial getränkt sind. Bereiche mit geringerer Porosität zeigen eine größere Relaxation als Bereiche mit höherer Porosität. In einer Ausgestaltung weisen die zweiten Bereiche eine höhere Relaxation auf als die ersten Bereiche.
    Die unterschiedliche Relaxation der Musterlage unterstützt die Ausbildung des gewünschten Musters.
  • Die erzielte Oberflächenstruktur steht im Gegensatz zu unkontrollierten Welligkeiten, wie sie z.B. durch inhomogene Infiltration eines Faserhalbzeugs auftreten können. Durch die Verwendung eines porösen Materials können erfindungsgemäß die erzielten Oberflächenkonturen gut gesteuert und reproduzierbar hergestellt werden. Durch gezielte Kombination zweier oder mehrerer unterschiedlicher Porositäten in einer Musterlage kann nicht nur das Muster vorgegeben werden, sondern auch die Höhe, welche die Oberflächenstruktur im fertigen Bauteil einnimmt.
  • Das Flächenmuster ist eine sich über die Fläche der Decklage wiederholende Gruppierung von Bereichen gleicher Porosität, die gemeinsam zu einem Muster angeordnet ist. Die Musterlage kann beliebige Flächenmuster aufweisen. Besonders bevorzugt ist es in einer Ausgestaltung, wenn das Flächenmuster ein Rautenmuster, ein Wabenmuster, ein Schlangenlinienmuster oder ein Kreismuster ist. Das Flächenmuster der Musterlage wird durch die Schrumpfung des Matrixmaterials in eine dreidimensionale Struktur übertragen, welche sich als Oberflächenstruktur in der Oberfläche des Bauteils abbildet.
  • Besonders bevorzugt ist es, die Musterlage in den Bereichen erster und zweiter Porosität dieselbe Dicke aufweist. Die Verwendung einer Musterlage mit einheitlicher Dicke erleichtert die Bauteilherstellung und garantiert ein vollständiges Aufliegen der Faserlagen der Decklage(n) auf der Musterlage. Die Oberflächenstruktur mit Form des Flächenmusters wird in dieser Ausgestaltung ausschließlich durch das Schwundmaß des Matrixmaterials erzeugt. Als Matrixmaterial wird vorzugsweise ein harz-basiertes Matrixmaterial verwendet.
  • Mit dem Verfahren kann auf einfache Art und Weise eine weitere Individualisierung des Außenhautbauteils erfolgen. Beispielsweise kann in der Musterlage in einer Ausgestaltung weiterhin eine Vertiefung mit vorgegebener Struktur ausgebildet ist. Die Struktur füllt sich im weiteren Verfahren mit Reinharz, beim Aushärten zeigt der Bereich dann ein besonders ausgeprägtes Schwundverhalten, wodurch die Struktur an der Bauteiloberfläche sichtbar wird und quasi auf diese übertragen wird. Derart lassen sich Schriftzüge oder andere individuellen Verzierungen auf einfache Art und Weise in das Bauteil integrieren. Die Erzeugung der Struktur kann z.B. mittels Laserabtrag oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.
  • Die Decklage kann eine oder mehrere übereinandergeschichtete Faserlagen von Verstärkungsfasern aufweisen. Die Faserlagen können z.B. als Gelege, Gewebe, Geflecht oder Vlies vorliegen. Als Verstärkungsfasern kommen z.B. Kohlenstoff-, Aramid oder Glasfasern in Betracht. Die Decklage kann nur auf einer Seite der Musterlage angeordnet werden. Zur Erzielung höherer Bauteilsteifigkeiten kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn auf beiden Seiten der Musterlage eine Decklage von Verstärkungsfasern aufgebracht wird. Es entsteht eine Sandwichstruktur, welche die Musterlage zwischen zwei dem Bauteil Stabilität gebenden Faserverstärkungen einbettet. Weil die Übertragung des Musters der Musterlage aufgrund des unterschiedlichen Schwundverhaltens des Matrixwerkstoffs erfolgt, wird das Muster auf beiden Oberflächen des Bauteils sichtbar sein.
  • Zur Herstellung des Kunststoffbauteils werden die Decklage(n) und die Musterlage mit Harz infiltriert und miteinander verpresst. Dies kann mit bekannten Press- oder Infiltrationsverfahren erfolgen.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Musterlage vollständig mit Matrixmaterial infiltriert wird. Hierdurch wird der Matrixanteil in der Musterlage gesteigert, wodurch wiederum das Absolutmaß der Schrumpfung gesteigert wird und die Struktur an der Oberfläche stärker ausgebildet wird.
  • In einer Ausgestaltung kann die Decklage als Prepreg bereitgestellt werden. Im Prepreg liegen eine oder mehrere Faserlagen aus Endlosfasern vor, die bereits mit einem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial infiltriert sind. Das Prepreg wird mit der Musterlage gemeinsam in einem Presswerkzeug, dessen Kavität die Form des herzustellenden Bauteils aufweist, zum Bauteil verpresst. Durch den Druck durchdringt das Matrixmaterial die Faserlagen und dringt in die Poren der Musterlage ein. Die Aushärtung des Matrixmaterials erfolgt z.B. unter dem Einfluss von Wärme.
  • Alternativ können die Decklage(n) und die Musterlage im Nasspressverfahren miteinander zum Bauteil verpresst werden. Beim Nasspressverfahren wird das ungehärtete Matrixmaterial auf die Faserlagen aufgegeben, entweder bevor diese ins Werkzeug eingelegt werden oder im noch geöffneten Werkzeug. Durch das Schließen des Presswerkzeugs wird das Matrixmaterial in die Faserlagen und die Musterlage gepresst.
  • Weiterhin kann das Bauteil ausgebildet werden, indem die Decklage und die Musterlage im RTM-Verfahren miteinander zu dem Kunststoffbauteil weiterverarbeitet werden. Hierzu werden die Decklage(n) und die Musterlage als trockene Halbzeuge in die Kavität eines RTM-Werkzeug eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird das Matrixmaterial unter Druck in das Werkzeug injiziert und infiltriert die Decklage und die Musterlage.
  • Mit anderen Worten wird in ein faserverstärktes Bauteil eine Kernlage bzw. Musterlage eingebracht, die lokal unterschiedlich stark von dem Matrixmaterial infiltriert werden kann. Zum einen entsteht dadurch ein Sandwichverbund, welcher sich durch bessere mechanische Eigenschaften auszeichnet, zum anderen entsteht an der Oberfläche ein sichtbares Muster. Vorteilhafter Weise kann das Verfahren mit herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Außenhautbauteilen durchgeführt werden. Insbesondere ist keine Strukturierung der Presswerkzeuge notwendig, wodurch erhebliche Kosten eingespart werden können. Durch die Verwendung unterschiedlich gemusterter Kernlagen ist eine schnelle und einfache Variation des äußeren Erscheinungsbildes des Außenhautbauteils möglich.
  • 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.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zur Herstellung eines Außenhautbauteils
  • Zur Herstellung eines Außenhautbauteils 1 in Form eines Fahrzeugdachs wird zunächst eine Musterlage 10 bereitgestellt. Die Musterlage ist eine Schicht mit vorgegebener Dicke aus einem porösen Material. Das Material der Musterlage kann z.B. ein offenporiger Schaum sein. Das Material weist wenigstens zwei unterschiedliche Porositäten auf. In einem ersten Bereich 12 hat das Material eine erste Porosität und in einem zweiten Bereich 14 hat das Material eine davon abweichende zweite Porosität, die z.B. größer ist als die erste Porosität.
  • Die Bereiche erster und zweiter Porosität 12, 14 bilden ein Flächenmuster ab, d.h. in der Draufsicht ergeben die Bereiche zweiter Porosität oder die Bereiche erster Porosität ein wiederkehrende flächige Anordnung, wie z.B. ein Kreismuster, ein Linienmuster, ein Rautenmuster o.ä.
  • An dieser Musterlage 10 wird wenigstens eine Decklage 20 mit einer Faserverstärkung angeordnet. Gemäß 1 wird sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Musterlage je eine Decklage 20, 30 angeordnet. Die Decklage beinhaltet eine oder mehrere Faserlagen von Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlenstofffasern. Bei den Faserlagen kann es sich beispielsweise um Gelege, Gewebe, Geflecht oder Vlies handeln.
  • Anschließend werden die Decklagen 20, 30 und die Musterlage 10 miteinander in einem Presswerkzeug 40 zum Außenhautbauteil 1 verpresst. Hierzu werden die Decklagen 20, 30 und die Musterlage 10 mit einem (nicht dargestellten) Matrixmaterial infiltriert, das anschließend ausgehärtet wird. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein harzbasiertes Matrixsystem. Das Matrixmaterial kann vor oder im Presswerkzeug 40 zugegeben werden. Dementsprechend kann die Herstellung des Bauteils z.B. im RTM-Verfahren, im Nasspressverfahren oder durch Verwendung von Prepregs als Decklagen erfolgen.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Porosität haben die ersten und zweiten Bereiche 12, 14 ein unterschiedliches Infiltrationsvermögen für das Matrixmaterial. Im vorliegenden Beispiel weist der zweite Bereich 14 eine höhere Porosität auf als der erste Bereich 12. Dementsprechend nimmt der zweite Bereich 14 während der Infiltration auch mehr Matrixmaterial auf als der erste Bereich 12. Bei der anschließenden Aushärtung des Matrixmaterials tritt ein Materialschwund auf, der aufgrund des höheren Matrixanteils im zweiten Bereich 14 größer ist als im ersten Bereich 12. Weiterhin ist aufgrund des höheren Matrixanteils das Material im Bereich 14 steifer als im Bereich 12. Da beim Pressen die Musterlage 10 gezielt um einen definierten Betrag zusammengedrückt wird, führt die unterschiedliche Steifigkeit dazu, dass beim Öffnen der Presse die Rückstellung der Komprimierung im Bereich 12 größer als im Bereich 14 ist. Infolge des Materialschwundes sowie des unterschiedlichen Rückstellverhaltens der Musterlage 10 weist das Bauteil 1 unterschiedliche Bauteildicken D1, D2 auf. Zudem können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Musterlage 10 und der Matrix eine Ausbildung der oberflächig sichtbaren Struktur erzeugen. Das Flächenmuster mit dem die zweiten Bereiche in der Musterlage ausgebildet sind, wird so als dreidimensionale Struktur 50 auf der Bauteiloberfläche sichtbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bauteil
    10
    Musterlage
    12
    Bereich erster Porosität
    14
    Bereich zweiter Porosität
    20, 30
    Decklage
    40
    Presswerkzeug
    50
    dreidimensionale Struktur
    D1, D2
    Bauteildicke
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016220806 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils, mit den Schritten: Bereitstellen einer Musterlage (10) aus einem porösen Material, welches erste Bereiche (12) mit einer ersten Porosität und zweite Bereiche (14) mit einer zweiten Porosität aufweist, wobei die Bereiche mit gleicher Porosität ein Flächenmuster bilden, Aufbringen mindestens einer Decklage (20, 30) von Verstärkungsfasern auf die Musterlage (10), Verpressen von Decklage (20, 30) und Musterlage (10) in einem Formwerkzeug (40) unter Infiltrierung der Decklage (20, 30) und der Musterlage (10) mit einem Matrixmaterial, Aushärten des Matrixmaterials.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei nach dem Verpressen das Formwerkzeug geöffnet wird und die zweiten Bereiche (14) eine höhere Relaxation aufweisen als die ersten Bereiche (12).
  3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem das Flächenmuster ein Rautenmuster, ein Wabenmuster, ein Schlangenlinienmuster oder ein Kreismuster ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Musterlage (10) in den Bereichen erster und zweiter Porosität (12, 14) dieselbe Dicke aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem in der Musterlage (10) weiterhin eine Vertiefung mit vorgegebener Struktur ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Musterlage (10) vollständig mit Matrixmaterial infiltriert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem bei dem auf beiden Seiten der Musterlage (10) eine Decklage (20, 30) aus einer Faserverstärkung aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, die Decklage (20, 30) als Prepreg bereitgestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, bei dem die Decklage (20, 30) und Musterlage (10) im Nasspressverfahren miteinander zum Bauteil verpresst werden.
  10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, bei dem die Decklage (20, 30) und die Musterlage (10) im RTM-Verfahren miteinander zu dem Kunststoffbauteil weiterverarbeitet werden.
  11. Außenhautbauteil, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, mit mindestens einer Decklage von Verstärkungsfasern und einer Musterlage aus einem porösen Material mit ersten Bereichen einer ersten Porosität und zweiten Bereichen einer zweiten Porosität, wobei die Bereiche gleicher Porosität ein Flächenmuster bilden, einem Matrixmaterial, das die Decklage und die Musterlage infiltriert und einbettet, wobei das Flächenmuster als dreidimensionale Struktur auf den Oberflächen des Kunststoffbauteils abgebildet ist.
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