DE102020129061A1

DE102020129061A1 - Verfahren zur ausbildung von klasse-a-komponenten mit formbarer kohlenstofffaser

Info

Publication number: DE102020129061A1
Application number: DE102020129061.6A
Authority: DE
Inventors: Selina X. ZHAO; Xiaosong Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US11453182B2; CN112917945A; US20210170701A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Klasse-A-Komponenten (CAC-Komponenten) umfassen das Bereitstellen eines Pressvorläufers, der Folgendes umfasst: eine erste und eine zweite Hautschicht, die jeweils ein in eine Polymermatrix eingebettetes faserverstärkenden Material umfassen, und eine dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Hautschicht, die eine dritte Polymermatrix und ein dieselbe durchsetzendes Füllmaterial umfasst. Die faserverstärkenden Materialien umfassen eine Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern, die eine Vielzahl von niederfesten Bereichen aufweisen, die in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sind. Das Verfahren umfasst das Anordnen eines Pressvorläufers in einer Pressform, das Pressformen des Pressvorläufers in der Pressform, wobei die Pressform einen Stempel umfasst, der dazu ausgelegt ist, die zweite Hautschicht zu berühren, das Öffnen der Pressform, um einen Spalt zwischen dem Stempel und einer Außenfläche der zweiten Hautschicht zu erzeugen, und Einspritzen eines Klasse-A-Deckschichtvorläufers in den Spalt, um eine Klasse-A-Oberflächenschicht zu erzeugen und die CAC-Komponente zu bilden.

Description

Einleitung
Kohlenstofffasern werden als leichte Verstärkungsphase zur Herstellung hochfester, leichter polymerer Verbundwerkstoffe verwendet. Die Kohlenstofffasern können Endlosfäden sein, die Tausende von Mikrometern (µm) oder Millimeter (mm) lang sein können. Eine Gruppe von Endloskohlefasern wird oft als ein Bündel von Endloskohlenstofffaserfäden eingestuft. Ein Kohlenstofffaser-„Seil“ wird gewöhnlich als eine Anzahl von Fäden in Tausendern bezeichnet (bezeichnet mit K nach der jeweiligen Seilnummer). Alternativ können Kohlenstofffaserbündel geschnitten oder gemahlen sein und somit kurze Segmente von Kohlenstofffasern (Fäden oder Bündel) bilden, die typischerweise eine mittlere Faserlänge zwischen 50 µm (ungefähr 0,002 Zoll) und 50 mm (ungefähr 1,97 Zoll) aufweisen. Während alle Kohlenstofffasern enthaltenden Verbundwerkstoffe leicht und hochfest sind, weisen Endloskohlenstofffaserfäden enthaltende Verbundwerkstoffe eine besonders hohe Festigkeit im Vergleich zu Verbundwerkstoffen auf, die geschnittene oder gemahlene Kohlenstofffasern enthalten. Als nicht einschränkendes Beispiel stellt ein repräsentativer unidirektionaler Endloskohlenstofffaserfaden, wenn er in einem Verbundwerkstoff enthalten ist, eine ultrahohe maximale Zugfestigkeit von ungefähr 300 bis 1.200 MPa bereit, während Verbundwerkstoffe mit geschnittenen Kohlenstofffasern eine maximale Zugfestigkeit von ungefähr 80 MPa bis 350 MPa aufweisen.
Gegenstände oder Komponenten aus Verbundwerkstoff können durch Verwendung von Platten oder Streifen eines Verstärkungsmaterials, wie z.B. eines Materials auf Kohlenstofffaserbasis mit Endloskohlenstofffasern, ausgebildet sein. Polymervorläufer, wie z.B. Harze, können in kohlenstofffaserbasierten Substratmaterialsystemen imprägniert sein, was als Vorimprägnierung (als „Prepreg“ bezeichnet) bekannt ist, bei der in einem ersten Schritt ein Harz in das kohlenstofffaserbasierte Substratmaterial eingetränkt wird, dann optional das kohlenstofffaserbasierte Substratmaterial aufgewickelt und zur späteren Verwendung gelagert wird.
Während die ultrahohen Festigkeiten, die mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen einhergehen, in bestimmten Anwendungen sehr wünschenswert sind, ist eine Herausforderung bei der Verwendung von Prepregs aus Endloskohlenstofffaserverbundwerkstoffen die fehlende Fließfähigkeit und Formbarkeit, da Prepregs aus Endloskohlenstofffaserverbundwerkstoffen zu steif mit hohem Fließwiderstand sein können. Eine solche Unflexibilität und Steifigkeit können sich in einer schlechten Formbarkeit niederschlagen, wodurch es schwierig wird, dreidimensionale Formen aus kontinuierliche Kohlenstofffasern aufweisenden Verbundwerkstoffen zu bilden. Darüber hinaus kann eine fehlende Fließfähigkeit des Prepreg-Materials zu einem Verziehen des endgültigen Verbundprodukts und zu Problemen mit unerwünschtem Oberflächenaussehen führen. Es wäre wünschenswert, Endloskohlenstofffaser-Prepreg-Werkstoffe zu bilden, die eine höhere Fließfähigkeit und damit bessere Formbarkeit aufweisen, mit der Fähigkeit, problemlos komplexe und dreidimensional geformte Komponenten mit ultrahohen Festigkeiten zu bilden.
Zusammenfassung
Es sind Verfahren zur Herstellung von Klasse-A-Komponenten (CAC-Komponenten) vorgesehen, die das Bereitstellen eines Pressvorläufers umfassen, der Folgendes umfasst: eine erste Hautschicht, die eine Polymermatrix und ein in der ersten Polymermatrix eingebettetes erstes faserverstärkendes Material umfasst, eine zweite Hautschicht, die durch eine Außenfläche und eine zu der ersten Hautschicht hin ausgerichtete Innenfläche definiert ist und eine zweite Polymermatrix und ein in der zweiten Polymermatrix eingebettetes zweites faserverstärkendes Material umfasst, und eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Hautschicht angeordnet ist und eine dritte Polymermatrix und ein die dritte Polymermatrix durchsetzendes Füllmaterial umfasst. Das erste faserverstärkende Material und das zweite faserverstärkende Material können jeweils eine Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern, die eine Hauptachse und eine senkrecht zur Hauptachse verlaufende zweite Achse definieren, umfassen, und die Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern weist eine Vielzahl von niederfesten Bereichen auf, die in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sind. Das Verfahren kann ferner Folgendes umfassen: Anordnen eines Pressvorläufers in einer Pressform, Pressformen des Pressvorläufers in der Pressform, wobei die Pressform einen Stempel und einen Block umfasst und während des Pressformens der Stempel dazu ausgelegt ist, die zweite Hautschicht zu berühren, und der Block dazu ausgelegt ist, die erste Hautschicht zu berühren, Öffnen der Pressform, um einen Spalt zwischen dem Stempel und der Außenfläche der zweiten Hautschicht zu erzeugen, und Einspritzen eines Klasse-A-Deckschichtvorläufers in den Spalt, um eine Klasse-A-Oberflächenschicht auf dem formgepressten Pressvorläufer zu erzeugen und die CAC-Komponente zu bilden. Der Spalt zwischen dem Stempel und der Außenfläche der zweiten Hautschicht kann die Geometrie der Klasse-A-Deckschicht definieren. Das Verfahren kann ferner das Entfernen der CAC-Komponente von der Pressform und das Lackieren der Klasse-A-Oberflächenschicht umfassen. Die erste Hautschicht der CAC-Komponente kann eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweisen, die zweite Hautschicht der CAC-Komponente kann eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweisen, und die dritte Schicht der CAC-Komponente kann eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 10 mm aufweisen. Die gebildete CAC-Komponente kann eine Oberfläche aufweisen, die mindestens 3% größer ist als die des Prepregs. Die erste Hautschicht, die zweite Hautschicht und die dritte Schicht können erste, zweite bzw. dritte rheologische Fließeigenschaften aufweisen, die im Wesentlichen auf eine solche Weise gleichartig sind, dass die erste Hautschicht, die zweite Hautschicht und die dritte Schicht im Allgemeinen gemeinsam bei einem vorgegebenen Druck für das Formpressen fließen. Das Formpressen des Prepregs in der Pressform kann das Aufbringen eines Drucks von ungefähr 0,5 MPa bis ungefähr 20 MPa mittels der Pressform umfassen. Die CAC-Komponente kann zumindest semikonstruktiv sein. Die erste Hautschicht kann ungefähr 20 Vol.-% bis ungefähr 75 Vol.-% des ersten faserverstärkenden Materials umfassen, und die zweite Hautschicht kann ungefähr 20 Vol.-% bis ungefähr 75 Vol.-% des zweiten faserverstärkenden Materials umfassen. Das Füllmaterial der dritten Schicht kann hohle Glasmikrokugeln, Siliciumpartikel, Holzpartikel und Calciumcarbonatfragmente umfassen. Die erste Polymermatrix und die zweite Polymermatrix können jeweils ein Epoxid, ein duroplastisches Polyurethanharz oder ein thermoplastisches Nylonharz umfassen. Die dritte Polymermatrix kann ein Epoxid, ein duroplastisches Polyurethanharz oder ein thermoplastisches Nylonharz umfassen. Der Pressvorläufer kann ferner eine Schicht aus gewebten Fasern umfassen, die auf der Außenfläche der zweiten Hautschicht angeordnet ist. Die Klasse-A-Deckschicht kann transparent sein, und mindestens ein Teil der Schicht aus gewebten Fasern kann durch die Klasse-A-Oberflächenschicht sichtbar sein. Der Klasse-A-Deckschichtvorläufer kann ein Polyurethan, ein Epoxid, ein Polyester und/oder ein Vinylester umfassen. Der Klasse-A-Deckschichtvorläufer kann ferner leitfähigen Kohlenstoff umfassen. Die Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern des ersten faserverstärkenden Materials und des zweiten faserverstärkenden Materials kann eine durchschnittliche Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1 mm aufweisen.
Es sind Verfahren zur Herstellung von Klasse-A-Komponenten (CAC-Komponenten) vorgesehen, die das Bereitstellen eines Pressvorläufers umfassen, der Folgendes umfasst: eine erste Hautschicht, die eine Polymermatrix und ein in der ersten Polymermatrix eingebettetes erstes faserverstärkendes Material umfasst, eine zweite Hautschicht, die durch eine Außenfläche und eine zu der ersten Hautschicht hin ausgerichtete Innenfläche definiert ist und eine zweite Polymermatrix und ein in der zweiten Polymermatrix eingebettetes zweites faserverstärkendes Material umfasst, und eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Hautschicht angeordnet ist und eine dritte Polymermatrix und ein die dritte Polymermatrix durchsetzendes Füllmaterial umfasst. Das erste faserverstärkende Material und das zweite faserverstärkende Material können jeweils eine Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern, die eine Hauptachse und eine senkrecht zur Hauptachse verlaufende zweite Achse definieren, umfassen, und die Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern weist eine Vielzahl von niederfesten Bereichen auf, die in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sind. Das Verfahren kann ferner Folgendes umfassen: Anordnen eines Pressvorläufers in einer Pressform, Pressformen des Pressvorläufers in der Pressform, wobei die Pressform einen Stempel und einen Block umfasst und während des Pressformens der Stempel dazu ausgelegt ist, die zweite Hautschicht zu berühren, und der Block dazu ausgelegt ist, die erste Hautschicht zu berühren, Öffnen der Pressform, um einen Spalt zwischen dem Stempel und der Außenfläche der zweiten Hautschicht zu erzeugen, Einspritzen eines Klasse-A-Deckschichtvorläufers in den Spalt, um eine Klasse-A-Oberflächenschicht auf dem formgepressten Pressvorläufer zu erzeugen und die CAC-Komponente zu bilden, und Einbauen der CAC-Komponente in einen starren Fahrzeugrahmen. Das Verfahren kann ferner vor dem Einbauen der CAC-Komponente in den starren Fahrzeugrahmen das Lackieren der CAC-Komponente umfassen. Der Klasse-A-Deckschichtvorläufer kann leitfähigen Kohlenstoff und ein Polyurethan, ein Epoxid, ein Polyester und/oder ein Vinylester umfassen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der beispielhaften Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausgestaltungen und den begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht einen starren Fahrzeugrahmen nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in schematischer Form.
2 veranschaulicht ein Fahrzeug nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in perspektivischer Ansicht.
3A veranschaulicht eine Kohlenstofffaser nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer Seitenansicht.
3B veranschaulicht ein Vorläufermaterial eines formbaren, vorimprägnierten Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer Draufsicht.
4 veranschaulicht einen geschichteten Pressvorläufer nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in perspektivischer Ansicht.
5 veranschaulicht ein Verfahren zur Bildung einer Klasse-A-Komponente und zur Herstellung eines eine Klasse-A-Komponente umfassenden Fahrzeugs nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer schematischen Ansicht.
6A veranschaulicht eine Klasse-A-Komponente nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer seitlichen Querschnittsansicht.
6B veranschaulicht eine Klasse-A-Komponente nach einer oder mehreren Ausgestaltungen in einer seitlichen Querschnittsansicht.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung
Es werden hierin Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausgestaltungen lediglich Beispiele sind und andere Ausgestaltungen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten größer oder kleiner sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hier offenbarten spezifischen konstruktiven und funktionellen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dafür, einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden. Wie ein Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren der anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausgestaltungen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Merkmalskombinationen sehen repräsentative Ausgestaltungen für typische Anwendungen vor. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren dieser Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Ausführungen erwünscht sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Gew.-%“ auf einen Massenanteil in Prozent und „Vol.-%“ auf einen Volumenanteil.
Kohlenstofffaserverstärkte polymere Verbundwerkstoffe (CFK) umfassen ein Harz, das gehärtet und/oder verfestigt wird, um eine Polymermatrix zu bilden, die eine Vielzahl von darin verteilten Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase aufweist. Wie oben erörtert, werden CFK oft aus einem Prepreg hergestellt, wobei Bündel der Kohlenstofffasern in Platten verwendet werden, die mit ungehärtetem oder teilweise gehärtetem Harz imprägniert sind. Eine Komponente oder ein Teil kann gebildet werden, indem das Prepreg auf einen Dorn aufgelegt oder in eine Form gelegt wird, wo es dann verfestigt und gehärtet/zur Reaktion gebracht wird, um die endgültige Komponente zu bilden.
Vorliegend sind CFK umfassende Klasse-A-Komponenten („CAC-Komponenten“), Fahrzeuge, die diese verwenden, und Verfahren zu deren Herstellung vorgesehen. Eine CAC-Komponente ist eine Komponente, die eine Oberfläche aufweist, die sichtbar ist, ohne dass die Komponente oder das Produkt (z.B. ein Fahrzeug), in das die Komponente integriert ist, beeinflusst wird. Fahrzeuge können jede beliebige relevante Fahrzeugplattform umfassen, wie z.B. Personenfahrzeuge (z.B. Verbrennungsmotor, Hybrid, vollelektrisch, Brennstoffzelle, voll- oder teilautonom usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Gelände- und Allradfahrzeuge (ATV), Landmaschinen, Boote, Flugzeuge usw. Ein Fahrzeug kann einen starren Rahmen mit darin eingebauten Komponenten (z.B. CAC-Komponenten) umfassen. 1 veranschaulicht zum Beispiel einen starren Fahrzeugrahmen 1 in schematischer Form, der einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs 10 ( 2) definiert und konstruktive Komponenten (z.B. A-Säulen 8, B-Säulen 2, C-Säulen 3, Vorderrahmen 4, Hinterrahmen 5 und seitliche Dachrahmen 6), die an konstruktiven Knotenpunkten 7 verbunden sind, umfasst. Bereiche zwischen den konstruktiven Komponenten können Einbaupunkte für Komponenten, wie z.B. Fensterscheiben, Türen, Fronthauben, Kofferräume, vordere Stoßfänger und hintere Stoßfänger, definieren. 2 veranschaulicht ein Fahrzeug 10 in perspektivischer Ansicht, das eine Dachplatte 12, eine Motorhaube 14 und eine Türplatte 18, die in einem starren Rahmen (verdeckt), wie z.B. dem Rahmen 1, eingebaut ist, umfasst. Die Dachplatte 12, die Motorhaube 14 und die Türplatte 18 können, wie im Folgenden beschrieben, jeweils CFK umfassende CAC-Komponenten sein. Ferner können CFK umfassende CAC-Komponenten, wie sie hierin offenbart sind, wenigstens semikonstruktiv sein. Eine in einem Rahmen (z.B. Rahmen 1) eines Fahrzeugs (z.B. Fahrzeug 10) eingebaute konstruktive Komponente ist eine Komponente, die die Steifigkeit und die mechanische Gesamtleistung eines Fahrzeugs verbessert. Beispielsweise kann eine konstruktive Klasse-A-Tür, ein konstruktives Klasse-A-Dach und/oder eine konstruktive Klasse-A-Motorhaube in einem Fahrzeugrahmen eingebaut sein, um das Aufprallverhalten eines Fahrzeugs zu verbessern. Eine zumindest semikonstruktive Klasse-A-Dachplatte kann die Anzahl und/oder die Festigkeit und/oder die Größe von Dachrahmenelementen (z.B. Vorderrahmen 4, Hinterrahmen 5, seitliche Dachrahmen 6 und andere dazwischen angeordnete Rahmenteile) verringern, die erforderlich sind, um z.B. ein Fahrzeug 10 mit geeigneten konstruktiven Eigenschaften auszustatten.
3A veranschaulicht eine Kohlenstofffaser 20 in einer Seitenansicht, die einen Körper 21 mit einer Vielzahl von niederfesten Bereichen 22 umfasst, die innerhalb der hochfesten Bereiche 26 des Körpers 21 dispergiert sind. Ein niederfester Bereich 22 ist ein Bereich, der entweder perforiert ist oder bevorzugt bei Belastung im Vergleich zum Rest des Körpers 21 zerreißt oder bricht. So kann z.B. ein niederfester Bereich 22 eine Festigkeit (z.B. eine maximale Zugfestigkeit) aufweisen, die mindestens ungefähr 50% geringer als eine maximale Vergleichszugfestigkeit eines Rests der Kohlenstofffaser 20, optional mindestens ungefähr 60%, optional mindestens ungefähr 70%, optional mindestens ungefähr 80% und bei bestimmten Aspekten optional mindestens ungefähr 90% geringer als eine Vergleichsfestigkeit der hochfesten Bereiche des Rests des Körpers der Kohlenstofffaser ist. Dementsprechend kann ein niederfester Bereich 22 ein Bereich sein, der sich mechanisch und/oder chemisch von den hochfesten Bereichen 26 des Körpers 21 unterscheidet. Ein niederfester Bereich 22, bei dem es sich um eine Perforation handelt, kann ein vorgeschnittener oder vorgeformter Endpunkt in einer Kohlenstofffaser 20 sein. Ein niederfester Bereich 22 kann einen Bereich mit einer Dicke umfassen, die geringer ist als die durchschnittliche Dicke der Kohlenstofffaser 20. Ein niederfester Bereich 22 kann ein Bereich mit einer molekularen oder chemischen Struktur umfassen, die sich vom Großteil der Kohlenstofffaser 20 unterscheidet. Die Einführung dieser niederfesten Bereiche 22 ermöglicht die Bildung von Kohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffen, die eine hohe Festigkeit und einen niedrigen Fließwiderstand aufweisen und dadurch besser verformbar und formbar sind.
3B veranschaulicht ein Vorläufermaterial eines formbaren, vorimprägnierten Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs („Prepreg“) 30 in einer Draufsicht, das zur Bildung der ersten Hautschicht 30A oder der zweiten Hautschicht 30B (4) geeignet ist. Das Prepreg 30 umfasst eine Vielzahl von Kohlenstofffasern 20 und eine Polymermatrix 35, die in und um die Kohlenstofffasern 20 herum verteilt ist. Die Vielzahl von Kohlenstofffasern 20 ist im Wesentlichen gerichtet und definiert im Allgemeinen eine Hauptachse oder Länge 31 und eine senkrecht zu der Hauptachse verlaufende zweite Achse oder Breite 32. Die Kohlenstofffasern 20 können eine Vielzahl von niederfesten Bereichen 22 aufweisen, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen sowohl in der Länge 31 als auch in der Breite 32 des Prepregs 30 versetzt angeordnet sind. Die Vielzahl der im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern 20, die das faserverstärkende Material der ersten und zweiten Hautschicht 30A, 30B bilden, kann bei einigen Ausgestaltungen eine durchschnittliche Dichte von ungefähr 100-100.000 Perforationen pro Quadratmeter der Faserplatte aufweisen. Die Kohlenstofffasern 20 in einem Prepreg 30 können beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1 mm aufweisen. Die Kohlenstofffasern 20 in einem Prepreg 30 können eine durchschnittliche Länge, die eine vorgegebene kritische Länge oder die Länge, bei der die Faser-Matrix-Scherlast der Faserbruchlast entspricht, überschreitet, aufweisen. Die kritische Länge ist dementsprechend die Mindestlänge, die für eine effektive Spannungsübertragung von der Matrix auf die Faser erforderlich ist. Bei einigen Ausgestaltungen können die niederfesten Bereiche 22 eine erste Menge hochfester Bereiche 26 mit einer durchschnittlichen Länge von ungefähr 5 mm bis ungefähr 15 mm und eine zweite Menge hochfester Bereiche 26 mit einer durchschnittlichen Länge von ungefähr 20 mm bis ungefähr 90 mm definieren. Die erste Menge hochfester Bereiche 26 kann z.B. ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 80 Gew.-% der Kohlenstofffasern 20 in dem Prepreg 30 umfassen, und die zweite Menge hochfester Bereiche 26 kann z.B. ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 80 Gew.-% der Kohlenstofffasern 20 in dem Prepreg 30 umfassen.
Die Polymermatrix 35 kann ein duroplastisches Polymer (z.B. eine duroplastische Harzmatrix, Epoxid-, Polyurethan-, Polyesterharze) oder eine thermoplastische Polymermatrix (z.B. ein thermoplastisches Harz, Nylon, Polyolefin, Acrylharz) umfassen. Ein duroplastisches Harz kann ein ungesättigtes Polyesterharz, ein ungehärtetes Epoxidharz oder ein Vinylesterharz umfassen. Ein thermoplastisches Harz kann z.B. ein Polyphenylensulfid (PPS), ein Polyetheretherketon (PEEK), ein Polyetherimid (PEI), ein Polyetherketonketon (PEKK), ein Polyethersulfon (PES) und/oder ein Polyetherketonketon-fc (PEKK-FC) umfassen. Bei einigen Ausgestaltungen kann die Polymermatrix 35 ein Epoxidharz, ein duroplastisches Polyurethanharz und/oder ein thermoplastisches Nylonharz umfassen.
Die niederfesten Bereiche 22 können eine Vielzahl von diskreten potentiellen Endpunkten über die Länge 31 der Kohlenstofffasern 20 definieren. Die Endpunkte können in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sein. Die Kohlenstofffasern 20 sind in der Lage, in den Bereichen 22 mit geringer Festigkeit zu brechen, wenn sie gebogen, gefaltet oder anderweitig beansprucht werden (z.B. bei den unten beschriebenen Formverfahren), während sie gleichzeitig keine Spannungs- und Bruchausbreitung über die Breite 32 oder Länge 31 zulassen. Bei Ausbildung zu einer CAC-Komponente dient das Vorhandensein von versetzt angeordneten, nicht-endlosen oder niederfesten Bereichen 22 in dem Prepreg 30 dazu, die Festigkeit der CAC-Komponente in der Nähe der Festigkeitswerte zu halten, die von hochfesten Endloskohlenstofffasern bereitgestellt werden, während gleichzeitig die Übertragung von Spannungsbelastungen von einem niederfesten Bereich 22 auf einen oder mehrere hochfeste Bereiche 26 einer benachbarten Kohlenstofffaser oder benachbarter Kohlenstofffasern 20 ermöglicht wird. Zum Beispiel weist ein Prepreg 30, das nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung erstellt wurde, immer noch eine ultrahohe Festigkeit, z.B. eine maximale Zugfestigkeit von größer oder gleich ungefähr 500 MPa, optional größer oder gleich ungefähr 1.000 MPa oder optional größer oder gleich ungefähr 1.500 MPa, auf. Das Prepreg 30 kann ungefähr 20 Vol.-% bis ungefähr 75 Vol.-% von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern 20 und ungefähr 25 Vol.-% bis ungefähr 80 Vol.-% Polymermatrix umfassen.
4 veranschaulicht einen geschichteten Pressvorläufer 40 in perspektivischer Ansicht, der geeignet ist, CAC-Komponenten wie hierin beschrieben zu bilden. Der Pressvorläufer 40 umfasst eine erste Hautschicht 30A, eine zweite Hautschicht 30B und eine zwischen der ersten Hautschicht 30A und der zweiten Hautschicht 30B angeordnete dritte Leichtbauschicht 41. Sowohl die erste Hautschicht 30A als auch die zweite Hautschicht 30B kann, wie oben beschrieben, ein Prepreg 30 umfassen. Die zweite Hautschicht 30B kann durch eine Außenfläche 33 und eine Innenfläche 34 definiert sein, die wie gezeigt zu der ersten Hautschicht 30A hin ausgerichtet ist. Optional kann der Pressvorläufer eine Schicht aus Sheet Moulding Compound (SMC) oder eine Schicht aus gewebten Fasern umfassen, die auf der Außenfläche 33 der zweiten Hautschicht 30B angeordnet sind, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die dritte Leichtbauschicht 41 umfasst Füllmaterial, das eine dritte Polymermatrix durchsetzt. Die dritte Polymermatrix kann die gleichen Materialien umfassen, die für die erste Polymermatrix und die zweite Polymermatrix, wie oben beschrieben, geeignet sind. Bei einer Ausgestaltung kann die dritte Polymermatrix ein organisches Epoxidharz aus Bisphenol-A-Diglycidylether (DGEBA) in flüssiger Form umfassen, das ein Reaktionsprodukt von Epichlorhydrin und Bisphenol A ist, mit einem optionalen Härtungsmittel aus Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid (MTH-PA), das durch einen optionalen silikonfreien, polymerbasierten Luftabgabezusatz ergänzt ist. Füllmaterial wird hinzugefügt, um das Gewicht zu reduzieren und die Leistungseigenschaften der CAC-Komponente zu verbessern; es kann hohle Glasmikrokugeln, Siliciumpartikel, Holzpartikel, Calciumcarbonatfragmente und optional chemische und/oder physikalische Schaumbildner umfassen. Zum Beispiel können Siliciumpartikel hinzugefügt werden, um die Viskosität des Prepregs 30 zu beeinflussen, und Glasmikrokugeln können verwendet werden, um die Dichte zu reduzieren (z.B. um die Gesamtdichte der Schicht um mindestens ungefähr 10% zu verringern). Chemische Verdickungsmittel/kurzkettige Polymerstrukturen können hinzugefügt werden, um die Viskosität zu beeinflussen, indem die dritte Schicht bei einigen Ausgestaltungen in den B-Zustand gebracht wird. Die hohlen Mikroglaskugeln können bei einigen Ausgestaltungen einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis ungefähr 100 µm aufweisen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die dritte Leichtbauschicht 41 im Wesentlichen frei von geschnittenem Fasermaterial (d.h. sie umfasst weniger als ungefähr 1 Vol.-% geschnittene Fasern und/oder Kohlenstofffasern 20).
5 veranschaulicht das Verfahren 100 zur Bildung einer CAC-Komponente 180, umfassend das Anordnen 110 eines Pressvorläufers 40 in einer Pressform 142 und das Formpressen 120 des Pressvorläufers 40 in der Pressform 142. Die erste Hautschicht 30A, die zweite Hautschicht 30B und die dritte Leichtbauschicht 41 weisen erste, zweite bzw. dritte rheologische Fließeigenschaften auf, die im Wesentlichen auf eine solche Weise gleichartig sind, dass die erste Hautschicht 30A, die zweite Hautschicht 30B und die dritte Leichtbauschicht 41 im Allgemeinen gemeinsam bei einem vorgegebenen Druck für das Formpressen 120 fließen. Die Pressform 142 umfasst einen Stempel 144 und einen Block 146. In einer offenen Stellung 111 weist die Pressform 142 einen Hohlraum 148 auf, der durch eine obere Fläche 150 des Stempels 144 und eine untere Fläche 152 des Blocks 146 definiert ist. Der Pressvorläufer 40 kann innerhalb der Pressform auf eine solche Weise angeordnet 110 werden, dass eine untere Fläche 156 des Pressvorläufers 40 (z.B. definiert durch die erste Hautschicht 30A) an die untere Fläche 152 des Blocks 146 angrenzt. Beim Formpressen 120 wird die Pressform 142 in einer geschlossenen oder komprimierenden Stellung 121 auf eine solche Weise angeordnet, dass die obere Fläche 150 des Stempels 144 eine obere Fläche 154 (z.B. definiert durch die Außenfläche 33 der zweiten Hautschicht 30B oder die optionale Schicht aus gewebten Fasern) des Pressvorläufers 40 berührt und die untere Fläche 152 des Blocks 146 die untere Fläche des Pressvorläufers berührt.
Beim Formpressen 120 kann der Hohlraum 148 und/oder die Pressform 142 im Allgemeinen eine Temperatur von ungefähr 50 °C bis ungefähr 250 °C oder ungefähr 100 °C bis ungefähr 175 °C aufweisen oder auf diese erhitzt werden. Die Pressform 142 kann einen Druck von ungefähr 0,5 MPa bis ungefähr 20 MPa oder optional von ungefähr 5 MPa bis ungefähr 15 MPa auf den Pressvorläufer 40 ausüben. Die Einwirkung von Wärme und Druck auf das formbare Kohlenstofffaservorläufermaterial kann bewirken, dass sich das formbare Kohlenstofffaservorläufermaterial vernetzt oder verfestigt und dadurch eine konstruktive Komponente bildet. Die Dauer dieses Prozesses kann beispielsweise größer oder gleich ungefähr 1 Minute und kleiner oder gleich ungefähr 10 Minuten, optional ungefähr 3 Minuten sein. Das Formpressen 120 bildet einen formgepressten Pressvorläufer 160, der eine größere Oberfläche aufweist als der Pressvorläufer 40. Zum Beispiel kann der formgepresste Pressvorläufer 160 (und die anschließend nach dem Verfahren 100 gebildete CAC-Komponente 180) eine um mindestens 40% größere, um mindestens 15% größere oder um mindestens 3% größere Oberfläche aufweisen als der Pressvorläufer 40. Bei einigen Ausgestaltungen kann die CAC-Komponente 180, die nach dem Verfahren 100 gebildet wurde, eine um ungefähr 40% bis ungefähr 80% größere, um ungefähr 15% bis ungefähr 30% größere oder um ungefähr 3% bis ungefähr 15% größere Oberfläche aufweisen als der Pressvorläufer 40.
Das Verfahren 100 umfasst ferner nach dem Formpressen 120 das Öffnen der Pressform 142 bis zu einer teilweise geöffneten Stellung 131, um einen Spalt zwischen der oberen Fläche 150 des Stempels 144 und der oberen Fläche 154 des Pressvorläufers 40 (z.B. der Außenfläche 33 der zweiten Hautschicht 30B) zu erzeugen, und das Einspritzen 130 eines Klasse-A-Deckschichtvorläufers 170 in den Spalt, um eine Klasse-A-Oberflächenschicht 171 (6A-B) auf dem formgepressten Pressvorläufer 160 zu erzeugen und die CAC-Komponente 180 zu bilden. Bei einigen Ausgestaltungen definiert der Spalt zwischen der oberen Fläche 150 des Stempels 144 und der oberen Fläche 154 des Pressvorläufers 40 die Geometrie der Klasse-A-Oberflächenschicht (d.h. der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 füllt im Wesentlichen den gesamten Spalt aus). Bei anderen Ausgestaltungen ist der Spalt größer als die gewünschte Dicke der Klasse-A-Oberflächenschicht (d.h. der Spalt ist ausreichend breit, so dass die obere Fläche 150 des Stempels 144 nicht mit dem eingespritzten 130 gebildeten Klasse-A-Deckschichtvorläufers 170 in Kontakt kommt).
Das Einspritzen 130 kann ferner die Aushärtung oder anderweitige Verfestigung des Klasse-A-Deckschichtvorläufers 170 umfassen. Der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 kann jedes transparent härtende Material sein, das idealerweise eine hohe UV-Beständigkeit und eine niedrige Viskosität während des Einspritzens aufweist. Zum Beispiel kann der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 ein Polyurethan, ein Epoxid, ein Polyester und/oder ein Vinylester umfassen. Das Verfahren 100 kann optional das Entfernen der CAC-Komponente von der Pressform 142 und das Lackieren der Klasse-A-Oberflächenschicht umfassen. Bei solchen Ausgestaltungen kann der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 ferner leitfähigen Kohlenstoff (z.B. Ruß, Graphen) umfassen, um die elektronische Leitfähigkeit der Oberfläche der CAC-Komponente 180 für den elektrostatischen Anstrich zu erhöhen. Der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 kann z.B. ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-% oder ungefähr 5 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% leitfähigen Kohlenstoff umfassen. Bei einigen Ausgestaltungen kann alternativ zum Einspritzen 130 der Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170 gleichzeitig mit dem Pressvorläufer 160 sprühbeschichtet, tauchlackiert oder formgepresst 120 werden.
Die Verwendung eines geschichteten Formmaterials in dem Verfahren 100 kann im Vergleich zu einem Formmaterial, das nur ein einziges formbares Kohlenstofffaservorläufermaterial umfasst, eine höhere Festigkeit bereitstellen, ohne dass die Formbarkeit und Fließfähigkeit beeinträchtigt werden. Das Verfahren 100 kann ferner vorteilhaft eingesetzt werden, um die bei der Herstellung von CAC-Komponenten üblichen Schleif-/Polier-/Lackierschritte überflüssig zu machen. Zum Beispiel kann das Verfahren 100 ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugs sein und ferner den Einbau der CAC-Komponente 180 in einem starren Fahrzeugrahmen (z.B. Rahmen 1 des Fahrzeugs 10) umfassen.
Wie in 6A gezeigt, ergibt das Verfahren 100 dementsprechend eine CAC-Komponente 180 mit einer ersten gehärteten Hautschicht 161 (z.B. gebildet aus der ersten Hautschicht 30A), einer zweiten gehärteten Hautschicht 162 (z.B. gebildet aus der zweiten Hautschicht 30B), einer Leichtbauschicht 163 (z.B. gebildet aus der Leichtbauschicht 41) und einer Klasse-A-Oberflächenschicht 171 (z.B. gebildet aus dem Klasse-A-Deckschichtvorläufer 170). Bei einigen Ausgestaltungen kann die erste gehärtete Hautschicht 161 eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweisen, die zweite gehärtete Hautschicht 162 eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweisen und die Leichtbauschicht 163 eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 10 mm aufweisen. 6B veranschaulicht eine nach dem Verfahren 100 gebildete CAC-Komponente, die zusätzlich eine Hilfsschicht 164 zwischen der zweiten gehärteten Hautschicht 162 und der Klasse-A-Oberflächenschicht 171 umfasst. Wie oben erörtert kann die Hilfsschicht 161 eine Schicht aus gewebten Fasern (z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Basaltfasern) umfassen. Die Schicht aus gewebten Fasern kann aus konstruktiven und/oder ästhetischen Gründen einbezogen werden. Insbesondere kann eine Hilfsschicht 164, die eine Schicht aus gewebten Fasern umfasst, durch die Klasse-A-Oberflächenschicht 171 sichtbar sein.
Bei anderen Ausgestaltungen kann die Hilfsschicht 164 der CAC-Komponente 180 eine SMC-Schicht umfassen, die ein thermoplastisches Polymer oder eine duroplastische Polymermatrix (z.B. solche, die wie oben beschrieben für die erste Hautschicht und die zweite Hautschicht geeignet sind) umfasst, in die geschnittene Fasern (z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Basaltfasern) eingebettet sind. Die Fasern können zum Beispiel eine durchschnittliche Länge von ungefähr 10 mm bis ungefähr 50 mm aufweisen. Die SMC-Schicht kann z.B. ungefähr 10 Vol.-% bis ungefähr 70 Vol.-% oder ungefähr 30 Vol.-% bis ungefähr 60 Vol.-% geschnittene Fasern und ungefähr 90 Vol.-% bis ungefähr 30 Vol.-% oder ungefähr 70 Vol.-% bis ungefähr 40 Vol.-% Polymermatrix umfassen. SMC-Hilfsschichten 164 umfassende CAC-Komponenten können z.B. durch Aufbringen der Hilfsschicht 164 und der Klasse-A-Oberflächenschicht 171 außerhalb der Pressform 142 gebildet werden.
Bei bestimmten Aspekten sind in der gegenwärtigen Technologie konstruktive Komponenten denkbar, die nach den oben genannten Verfahren hergestellt werden, oder andere, die für Fachleute denkbar sind. Die konstruktiven Komponenten können ein formbares Kohlenstofffaservorläufermaterial mit einer Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern umfassen, die eine Hauptachse und eine senkrecht zu der Hauptachse verlaufende zweite Achse definieren. Die Vielzahl der im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern kann eine Vielzahl von diskreten Endpunkten aufweisen, die in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sind. Formbare Kohlenstofffaservorläufermaterialien, die nach der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, vermeiden die Trennung von Harz und Fasern und vermeiden oder minimieren somit ein Verziehen. So weisen Verbundwerkstoffe, die aus den Kohlenstofffaservorläufermaterialien der vorliegenden Offenbarung gebildet sind, eine verbesserte Oberflächenqualität von unlackierten Platten auf, indem Faserverzerrungen um Krümmungen herum während des Formprozesses vermieden werden. Darüber hinaus erleiden Verbundwerkstoffe, die aus den formbaren Kohlenstofffaservorläufermaterialien gebildet sind, keinen Verlust der mechanischen Eigenschaften.
Während oben beispielhafte Ausgestaltungen beschrieben werden, ist damit nicht gemeint, dass diese Ausgestaltungen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Patentschrift verwendeten Worte sind eher beschreibende als einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Wie bereits beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausgestaltungen kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden können. Während verschiedene Ausgestaltungen hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften möglicherweise so beschrieben worden sind, dass sie Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausgestaltungen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik bevorzugt werden, erkennen Durchschnittsfachleute, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften ausgeglichen werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Ausführung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen. Als solche befinden sich Ausgestaltungen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausgestaltungen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Klasse-A-Komponente (CAC-Komponente), wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Pressvorläufers innerhalb einer Pressform, wobei der Pressvorläufer umfasst: eine erste Hautschicht, die eine erste Polymermatrix und ein erstes faserverstärkendes Material umfasst, das in die erste Polymermatrix eingebettet ist, eine zweite Hautschicht, die eine zweite Polymermatrix und ein zweites faserverstärkendes Material umfasst, das in die zweite Polymermatrix eingebettet und durch eine Außenfläche und eine zur ersten Hautschicht hin ausgerichtete Innenfläche definiert ist, eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Hautschicht angeordnet ist und eine dritte Polymermatrix und ein Füllmaterial umfasst, das die dritte Polymermatrix durchsetzt, wobei das erste faserverstärkende Material und das zweite faserverstärkende Material jeweils eine Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern umfassen, die eine Hauptachse und eine senkrecht zur Hauptachse verlaufende zweite Achse definieren, und die Vielzahl von im Wesentlichen gerichteten Kohlenstofffasern eine Vielzahl von niederfesten Bereichen umfasst, die in Bezug auf die zweite Achse versetzt angeordnet sind. Pressformen des Pressvorläufers in der Pressform, wobei die Pressform einen Stempel und einen Block umfasst und während des Pressformens der Stempel dazu ausgelegt ist, die zweite Hautschicht zu berühren, und der Block dazu ausgelegt ist, die erste Hautschicht zu berühren, Öffnen der Pressform, um einen Spalt zwischen dem Stempel und der Außenfläche der zweiten Hautschicht zu erzeugen, und Einspritzen eines Klasse-A-Deckschichtvorläufers in den Spalt, um eine Klasse-A-Oberflächenschicht auf dem formgepressten Pressvorläufer zu erzeugen und die CAC-Komponente zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Hautschicht der CAC-Komponente eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweist, die zweite Hautschicht der CAC-Komponente eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm aufweist und die dritte Schicht der CAC-Komponente eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 10 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gebildete CAC-Komponente eine Oberfläche aufweist, die mindestens 3% größer ist als die des Prepregs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Hautschicht ungefähr 20 Vol.-% bis ungefähr 75 Vol.-% des ersten faserverstärkendes Materials umfasst und die zweite Hautschicht ungefähr 20 Vol.-% bis ungefähr 75 Vol.-% des zweiten faserverstärkendes Materials umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial der dritten Schicht hohle Glasmikrokugeln, Siliciumpartikel, Holzpartikel und Calciumcarbonatfragmente umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polymermatrix, die zweite Polymermatrix und/oder die dritte Polymermatrix ein Epoxidharz, ein duroplastisches Polyurethanharz oder ein thermoplastisches Nylonharz umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formvorläufer ferner eine Schicht aus gewebten Fasern umfasst, die auf der äußeren Oberfläche der zweiten Hautschicht angeordnet ist, die Klasse-A-Oberflächenschicht transparent ist und mindestens ein Teil der Schicht aus gewebten Fasern durch die Klasse-A-Oberflächenschicht sichtbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klasse-A-Deckschichtvorläufer ein Polyurethan, ein Epoxid, ein Polyester und/oder ein Vinylester umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klasse-A-Deckschichtvorläufer ferner leitfähigen Kohlenstoff umfasst und das Verfahren ferner das Entfernen der CAC-Komponente von der Pressform und das Lackieren der Klasse-A-Oberflächenschicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Einbauen der CAC-Komponente in einen starren Fahrzeugrahmen