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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Reduktion des Verbrauchs, und damit auch der Emissionswerte, wird im heutigen Automobilbau versucht, das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren. Hierbei wird versucht, die bekannten Werkstoffe, insbesondere metallische Werkstoffe, wie Stahl oder Aluminium, durch Kunststoffe zu ersetzen. Es hat sich gezeigt, dass faserverstärkte Kunststoffbauteile an eine Vielzahl verschiedener Anforderungen im Fahrzeugbau anpassbar sind. Gleichzeitig vermittelt die Verwendung faserverstärkter Kunststoffbauteile durch ihr optisches Erscheinungsbild ein qualitativ hochwertiges Produkt. Insbesondere faserverstärkte Kunststoffbauteile, bei denen Fasern in Fasermatte als Gewebe vorliegen, erzeugen einen qualitativ hochwertigen Gesamteindruck. Um endlosfaserverstärkte Bauteile mit andersartigen textilen Fasermatten für Sichtanforderungen zu qualifizieren, wird die Oberfläche der Fasermatte mit gewebten Textilien oder mit Gelegen benäht oder mit Vliesen versehen. Dadurch kann eine optisch ansprechende, definierte Oberfläche erzeugt werden. Dies bedeutet fertigungstechnisch gesehen jedoch immer einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt und stellt somit einen Nachteil dar.
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Ein Faserverbundkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers sind aus der
DE10 2017 221 235.7 bekannt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils anzugeben, mit einer reduzierten Anzahl an Verfahrensschritten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den davon abhängigen Patentansprüchen angegeben. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils vor, mit den Schritten: Erzeugen einer Faserstruktur aus vorimprägnierten Fasermaterial, Einlegen des mit Fasermaterial versehenen Kerns in ein Presswerkzeug, und Schließen des Presswerkzeugs. Dabei kann sich in einer geschlossenen Stellung des Presswerkzeugs eine Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs auf einer Oberfläche des Fasermaterials abbilden. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Faserstruktur durch Wickeln eines Verstärkungsfaserbündels erzeugt, wie dies in der
DE10 2017 221 235.7 beschrieben ist. Das in der genannten Offenlegungsschrift beschriebene Verfahren ist im vollständigen Umfang Teil der hier dargelegten Erfindung. Der in dieser Anmeldung beschriebene Verfahrensschritt zur Erzeugung einer Faserstruktur, kann die in der
DE 2017 221 235.7 dargestellten Verfahrensschritte umfassen, so dass der dort erzeugte Faserverbundkörper der hier beschriebenen Faserstruktur - wahlweise als vorimprägnierte Faserstruktur oder als trockene Faserstruktur - entspricht. Zur Herstellung der Faserstruktur wird zunächst das Verstärkungsfaserbündel gewickelt. Die Verstärkungsfasern können abschnittsweise parallel verlaufen und/oder abschnittsweise gekreuzt werden. In machen Abschnitten der Faserstruktur können in einzelnen Faserlagen die Verstärkungsfasern parallel zueinander verlaufen wobei in darüber oder darunter liegenden Faserlagen im gleichen Abschnitt die Verstärkungsfasern gekreuzt sind. Die Verstärkungsfaserbündel können vorimprägniert sein. Alternativ wird die auf diese Weise gewickelte Faserstruktur in die eine Kunststoffmatrix eingebettet. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das Fasermaterial auf einen Kern aufgebracht, insbesondere auf einen Kern aufgewickelt.
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Die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs kann somit als Negativ ausgebildet sein, das sich als Positiv auf der Oberfläche einer Matrix des Fasermaterials abbildet. Dies bietet den Vorteil, dass die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils, die durch die Verstärkungsfasern bestimmt werden, bei der Herstellung des Faserverbundbauteils unbeeinflusst bleiben, da sich die Struktur lediglich in dem von außen sichtbaren Matrixmaterial abzeichnet.
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Zusätzlich oder alternativ kann sich in einer geschlossenen Stellung des Presswerkzeugs die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs auf einer Oberfläche der Fasern des Fasermaterials abbilden. Dadurch bilden sich Einbeulungen oder Kerbungen auf dem Fasermaterial ab. Dies bietet den Vorteil, dass die mit Oberflächenstruktur versehenen Schichten des Fasermaterials in ihren mechanischen Eigenschaften verändert bzw. reduziert werden. In einem Crashfall bzw. bei einer Überbeanspruchung des faserverstärkten Kunststoffbauteils, geben derartige Schichten als erstes nach und später erst darunterliegende Schichten mit höheren mechanischen Eigenschaften. Vorteilhafterweise kann so eine Art duktiles Verhalten des faserverstärkten Bauteils realisiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann sich in einer geschlossenen Stellung des Presswerkzeugs die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs in einer Anordnung der Fasern in dem Fasermaterial abbilden. Dies bietet den Vorteil, dass das Fasermaterial der Fasermatten nicht beeinträchtigt wird, sondern sich nur deren Anordnung beispielsweise durch Verschiebung einzelner Fasern zueinander erzeugt wird. So können die mechanischen Eigenschaften der Fasern über alle Faserschichten hinweg beibehalten werden.
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Weiterhin kann zum beim Erzeugen der Faserstruktur aus vorimprägniertem Fasermaterials ein vorimprägnierten Roving verwendet wird. Alternativ dazu kann zum Aufbringen des vorimprägnierten Fasermaterials der Kern mit einem vorimprägnierten Roving umwickelt werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine Wickelstruktur erzeugt werden kann, bei der gleichzeitig das noch nicht ausgehärtete Matrixmaterial vorgesehen ist.
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In einem weiteren Schritt kann nach dem Schließen des Presswerkzeugs das Fasermaterial mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt werden. Dadurch erstarrt das Matrixmaterial bzw. härtet das Matrixmaterial aus.
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Darüber hinaus kann nach dem Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur der Kern mit daran angeordnetem Fasermaterial aus dem Presswerkzeug entnommen werden.
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Weiterhin kann die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs ein regelmäßiges Muster aufweisen. Durch dieses regelmäßige Muster, wobei die Musterstruktur Wölbungen und Senkungen aufweist, wird die darunterliegende Fasermatte wellig bzw. onduliert dargestellt. Durch das an der Fasermatte reflektierte Licht entsteht ein optischer Gesamteindruck, der dem optischen Eindruck eines Fasergewebes entspricht. Je nach Blickwinkel kann sich die Oberflächenreflektion verändern und dadurch unterschiedliche Gesamteindrücke erzeugt werden.
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Die Oberfläche des faserverstärkten Kunststoffbauteils, d. h. die Oberfläche des Matrixmaterials, kann teilweise oder vollständig hochglanzpoliert sein, so dass man durch das transparente Matrixmaterial auf die Faser schauen kann.
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Die Verstärkungsfasern können organische oder anorganische Verstärkungsfasern sein. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff; englisch „Carbon-Fiber-Reinforced Plastic“, CFRP) genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein CFK- Bauteil. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein GFK-Bauteil. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsfasern können z. B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA-Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern und/oder Naturfasern sein.
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Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z. B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF).
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Im Folgenden soll die zweite Ausführungsform der Erfindung anhand der 1 bis 5 näher erläutert werden.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 den Verfahrensschritt, bei dem die Faserstruktur auf den Kern aufgebracht wird,
- 2 einen Kern mit daran angeordneter Faserstruktur,
- 3 ein geöffnetes Presswerkzeug, in das ein mit Fasermaterial vorgesehener Kern eingelegt wird,
- 4 ein Presswerkzeug mit darin befindlichem Fasermaterial, und
- 5 ein Narbungsmuster.
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In 1 ist ein Kern 11 dargestellt, der als hohles Rohr mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist. Auf eine äußere Mantelfläche des Kerns 11 wird ein Fasermaterial 10 aufgebracht. Dieses Fasermaterial ist als beispielshaft als vorimpregnierter Roving ausgebildet. Folglich wird in einem ersten Verfahrensschritt der Kern mit dem Roving 10 umwickelt.
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Dadurch entsteht die in 2 dargestellte Anordnung, bei der auf den Kern 11 Fasermaterial 10 aufgebracht ist. In diesem Zustand ist das Matrixmaterial der durch umwickeln erzeugten Fasermatte noch nicht ausgehärtet. Dieses Halbzeug wird gemäß 3 in eine untere Werkzeughälfte 33 eines Presswerkzeugs 30 eingelegt. Das Presswerkzeug weist eine Oberfläche 31 auf, die in Kontakt mit dem Fasermaterial 10 kommt. Die Oberfläche 31 der unteren Presswerkzeughälfte 33 ist mit einer Oberflächenstruktur versehen. Diese Oberflächenstruktur weist Erhebungen und Vertiefungen auf, die im Form eines Musters angeordnet sein können. Dieses ist als Negativ auf der Oberfläche der Werkzeughälften ausgebildet und zeichnet sich als Positiv auf der Oberfläche des Bauteils ab. Ein Beispiel für ein solches Positiv-Muster auf der Bauteiloberfläche ist in 5 dargestellt. Die dort gezeigten Erhebungen sind pyramidenförmig ausgebildet mit einer sechs-eckigen Grundfläche. Dieses Oberflächenmuster bildet sich als Narbung auf der Oberfläche des fertigen Bauteils aus und kann in beiden Ausführungsformen des Verfahrens verwendet werden.
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Danach wird das Presswerkzeug 30 in eine geschlossene Stellung überführt, die in 4 abgebildet ist. Die untere Werkzeughälfte 33 und die obere Werkzeughälfte 32 schließen dann gemeinsam eine Kavität ein, in der das in 2 gezeigte Halbzeug aufgenommen ist. Die obere Werkzeughälfte 32 weist ebenfalls eine - figürlich nicht dargestellte - Oberflächenstruktur auf, die sich auf dem Fasermaterial 10 abzeichnet. In dem Presswerkzeug 30 wird das Halbzeug mit Temperatur und Druck beaufschlagt, so dass das Matrixmaterial des Fasermaterials 10 aushärtet.
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Nach dem Aushärten des Matrixmaterials wird das Presswerkzeug 30 geöffnet und der Kern mit nunmehr ausgehärtetem Fasermatrixmaterial entnommen. Der Kern 11 wird aus dem Fasermaterial herausgezogen, so dass eine zylindrische Verbundbauteilstruktur übrig bleibt. Diese ist besonders dazu geeignet, als Strebe, beispielsweise als Domstrebe oder Front-End-Strebe, in Fahrzeugkarosseriestrukturen verwendet zu werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine gleichmäßige Oberfläche für eine gewickelte Strebe erzielt werden, ohne dass zusätzliche Einleger in das Fasermaterial eingebracht werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017221235 [0003, 0005]
- DE 2017221235 [0005]
