DE102021211794A1

DE102021211794A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststofffertigteilen

Info

Publication number: DE102021211794A1
Application number: DE102021211794.5A
Authority: DE
Inventors: Vicky Rosenmeyer; Sierk Fiebig; Philipp Kabala; Klaus Dröder; Josef Renkl
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest zweier faserverstärkter Kunststofffertigteile (1), mit den folgenden Prozessschritten: Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoffrohteils (23) aus einer, in einer Matrix (7) eingebetteten Faserstruktur, und Beschnitt des faserverstärkten Kunststoffrohteils (23) an einer Soll-Trennlinie (27) unter Bildung der faserverstärkten Kunststofffertigteile (1). Erfindungsgemäß weist das faserverstärkte Kunststoffrohteil (23) entlang der Soll-Trennlinie (27) einen faserfreien Matrixabschnitt (21) auf, so dass an den Schnittkanten (9) der im Beschnittprozess gebildeten Kunststofffertigteile (1) keine Faserenden der Faserstruktur freilegt sind und/oder die Faserstruktur an den Schnittkanten (9) von der Matrix (7) umschlossen bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest zweier faserverstärkter Kunststofffertigteile nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Solche faserverstärkten Kunststofffertigteile können mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise dem Prepreg- oder dem RTM-Verfahren. Im Prepreg-Verfahren werden bereits mit Harz getränkte Faserlagen mit Wärme verpresst und so das gewünschte Kunststofffertigteil geformt. Im RTM-Verfahren werden Faserlagen zu einem Preform verarbeitet, in ein Werkzeug eingelegt und mit Harz infiltriert. Abschließend werden die Bauteile in beiden Verfahren zumeist mechanisch bearbeitet.
Für möglichst kurze Fertigungszeiten sollten möglichst viele Kunststofffertigteile gleichzeitig in einem RTM-Prozess oder einem Prepreg-Prozess gefertigt werden. Vor diesem Hintergrund wird in einem gattungsgemäßen Verfahren im RTM-Prozess oder im Prepreg-Prozess zunächst ein faserverstärktes Kunststoffrohteil aus einer in einer Matrix eingebetteten Faserstruktur bereitgestellt. Anschließend folgt ein Beschnittprozess, bei dem das faserverstärkte Kunststoffrohteil an einer Soll-Trennlinie unter Bildung der faserverstärkten Kunststofffertigteile getrennt wird. Auf diese Weise können mit nur einem Formgebungswerkzeug (das heißt mit nur einer gemeinsamen Werkzeugkavität) insgesamt zumindest zwei Kunststofffertigteile erzeugt werden, wodurch Fertigungszeiten sowie Werkzeugkosten einsparbar sind, und zwar im Vergleich zu einem Formgebungswerkzeug, in dem pro Arbeitszyklus lediglich ein Kunststofffertigteil erzeugbar ist.
Bekannte Lösungen haben zum Nachteil, dass sich im gesamten Kunststoffrohteil Fasern befinden, so dass im Beschnittprozess sowohl Matrix als auch Fasern spanend bearbeitet werden müssen. Die mechanische Bearbeitung von Fasern ist mit hohen Fertigungszeiten verbunden und benötigt spezielle Werkzeuge, die kostenintensiver sein können. Auch kann es zu einer Verkürzung der Werkzeug-Standzeiten durch die abrasiven Eigenschaften der Glasfasern kommen. Die mechanische Bearbeitung des Kunststoffrohteils führt außerdem zu offenen Faserenden. Hierdurch kann es zu einer Kapillarwirkung kommen, das heißt Fasern können Wasser aufnehmen. Die Aufnahme von Wasser ist oftmals unerwünscht. Weiterhin kann es im RTM-Verfahren bei einer Infiltration des Harzes orthogonal zur Faserrichtung zu Trockenstellen kommen. Sowohl die Wasseraufnahme, als auch Trockenstellen können einen negativen Einfluss auf die Bauteileigenschaften haben.
Aus der EP 0 061 273 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus faserverstärktem Verbundkunststoff bekannt. Aus der DE 10 2011 085 971 A1 ist ein Faserhalbzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung zumindest zweier faserverstärkter Kunststofffertigteile bereitzustellen, bei dem die Kunststofffertigteile im Vergleich zum Stand der Technik mit reduzierter Fertigungszeit und/oder mit gesteigerten Bauteileigenschaften herstellbar sind.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung zumindest zweier faserverstärkter Kunststofffertigteile aus. In dem Verfahren wird zunächst ein faserverstärktes Kunststoffrohteil aus einer in einer Matrix eingebetteten Faserstruktur bereitgestellt. Anschließend folgt ein Beschnittprozess, bei dem das faserverstärkte Kunststoffrohteil an einer Soll-Trennlinie unter Bildung der faserverstärkten Kunststofffertigteile getrennt wird. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist das faserverstärkte Kunststoffrohteil entlang der Soll-Trennlinie einen faserfreien Matrixabschnitt auf. Auf diese Weise können an den Schnittkanten der im Beschnittprozess gebildeten Kunststofffertigteile keine Faserenden der Faserstruktur freigelegt sein und/oder die Faserstruktur an den Schnittkanten von der Matrix umschlossen bleiben.
Erfindungsgemäß werden somit in Bereichen des Kunststoffrohteils, in denen im Nachgang spanend bearbeitet wird, keine Fasern vorgesehen. Hierzu werden im RTM-Prozess das Faserhalbzeug (zum Beispiel ein Preform), das in das RTM-Werkzeug zur Infiltration der Matrix eingelegt werden, entsprechend angepasst.
Entscheidend für den Fertigungsprozess ist es daher, in den später mechanisch zu bearbeitenden Bereichen keine Fasern vorzusehen. Wichtig ist, dass etwas mehr Faserbereiche ausgespart werden im Vergleich zu den Bereichen der späteren mechanischen Bearbeitung. Dies führt dazu, dass nach einer nachgelagerten Spanbearbeitung keine offenen Faserenden vorhanden sind und Reinharzbereiche bearbeitet werden können.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die faserverstärkten Kunststofffertigteile Blattfedern, die im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs verbaubar sind. Im Fertigungsprozess können beispielhaft zwei Kunststofffertigteile im RTM (Resin Transfer Molding) Prozess in einer gemeinsamen Werkzeugkavität gefertigt werden. Folglich entstehen durch die Trennung (mechanische Bearbeitung) eines Kunststoffrohteils zwei Kunststofffertigteile. Gemäß der Erfindung sind hierfür zwei einzelne Faserhalbzeuge vorzusehen. Diese sollten bevorzugt nicht genau in der Breite des Trennstegs voneinander entfernt angeordnet sein. Bevorzugt ist die Breite des Trennstegs (erforderlich für die mechanische Schneidbearbeitung) kleiner als der Abstand zwischen den beiden Faserhalbzeugen bemessen, jedoch ohne damit die Bauteileigenschaften zu beeinflussen. Nach Bearbeitung sollte den Schnittkanten der beiden Kunststofffertigteile jeweils ein Reinharzbereich (das heißt faserfreier Matrixabschnitt) verbleiben. Mit dem erfindungsgemäßen RTM-Prozess können in kurzen Fertigungszeiten eine größere Anzahl von Kunststofffertigteile gleichzeitig innerhalb des RTM-Prozesses gefertigt werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der abschließenden Reinharzbereiche (das heißt faserfreien Matrixmaterialstege) keine Fasern freiliegen und so keine Kapillarwirkung entsteht. Durch die reine Bearbeitung von Matrixmaterial ist kein Spezialwerkzeug notwendig, so dass Werkzeugkosten geringer ausfallen. Darüber hinaus kann die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden. Ist der Angusskanal im Bereich der mechanischen Bearbeitung vorgesehen, so wird die Durchtränkung der Fasern vereinfacht, da das Matrixmaterial nicht mehr quer durch die Fasern fließen muss.
Nachfolgend sind Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Faserstruktur für jedes herzustellende Kunststofffertigteil ein separates Faserhalbzeug aufweisen. Zudem kann das Kunststoffrohteil für jedes herzustellende Kunststofffertigteil einen Kernbereich mit einem matrixdurchtränkten Faserhalbzeug aufweisen. Die zumindest zwei Kernbereiche können über den faserfreien Matrixabschnitt miteinander verbunden sein.
In einer technischen Umsetzung kann der entlang der Soll-Trennlinie verlaufende faserfreie Matrixabschnitt unterteilt sein, und zwar in einen entlang der Soll-Trennlinie verlaufenden Trennsteg und in beidseitig davon verlaufende Matrixmaterialstege. Die faserfreie Matrix im Trennsteg wird im Beschnittprozess als Beschnittmaterial abgeführt, während die beidseitig des Trennstegs verlaufenden Matrixmaterialstege das Faserhalbzeug im jeweiligen Kunststofffertigteil an der im Beschnittprozess gebildeten Schnittkante überdecken.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das faserverstärkte Kunststoffrohteil mit Hilfe eines RTM-Prozesses bereitgestellt werden. Im RTM-Prozess werden in einem Einlegeschritt zunächst die beiden Faserhalbzeuge im Trockenzustand, das heißt ohne Matrix, in eine Werkzeugkavität eines RTM-Werkzeugs eingelegt. Anschließend folgt ein Formgebungsschritt, in dem eine flüssige Ausgangskomponente der Matrix unter Druck und Wärme in die geschlossene Werkzeugkavität des RTM-Werkzeugs über einen Angusskanal eingebracht wird und die Faserhalbzeuge infiltriert. Nach einer Aushärtung folgt ein Entnahmeschritt, in dem das gebildete Kunststoffrohteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen wird und dem Beschnittprozess zugeführt wird.
Bevorzugt ist es, wenn der im RTM-Werkzeug integrierte Angusskanal unmittelbar in den Freiraum zwischen den Faserhalbzeugen mündet.
In einer alternativen Prozessführung kann das Kunststoffrohteil in einem Prepreg-Verfahren bereitgestellt werden. Im Prepreg-Verfahren erfolgt zunächst ein Einlegeschritt, in dem die Faserhalbzeuge, die bereits mit einer Ausgangskomponente einer reaktiven, duroplastischen Matrix durchtränkt sind, in eine Werkzeugkavität eines Prepreg-Werkzeugs eingelegt werden. Im anschließenden Formgebungsschritt werden die Faserhalbzeuge unter Druck und Wärme zu dem Kunststoffrohteil geformt. Nach der Aushärtung erfolgt ein Entnahmeschritt, in dem das gebildete Kunststoffrohteil dem Beschnittprozess zugeführt wird.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 zwei faserverstärkte Kunststofffertigteile, die als Blattfedern ausgeführt sind;
2 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Kunststofffertigteile veranschaulicht ist.

In der 1 sind zwei baugleiche, faserverstärkte Kunststofffertigteile 1 als Blattfedern ausgeführt, die in einem Federungssystem eines Fahrzeug-Fahrwerks verbaubar sind. Jedes der beiden Kunststofffertigteile 1 weist einen faserverstärkten Kernbereich 3 auf, in dem ein Faserhalbzeug 5 in einer Matrix 7 eingebettet ist. Das Faserhalbzeug 5 kann in beliebiger Weise zum Beispiel als Gewebe, Geflecht, Gelege und/oder Flies aus Kunststoff-, Glas-, Aramid- und/oder Naturfasern bereitgestellt sein. Gemäß der 1 ist der faserverstärkte Kernbereich 3 des jeweiligen Kunststofffertigteils 1 randseitig von einem faserfreien Materialsteg 11 begrenzt. Auf diese Weise ist an den Seitenkanten das Faserhalbzeug 5 von der Matrix umschlossen, sodass keine Faserenden des Faserhalbzeugs 5 freigelegt sind.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 5 ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Kunststofffertigteile 1 beschrieben, die beispielhaft in einem RTM-Prozess gefertigt werden:

Demzufolge werden zunächst für jedes herzustellende Kunststofffertigteil 1 jeweils ein separates Faserhalbzeug 5 bereitgestellt. Die beiden Faserhalbzeuge 5 werden in einem Trockenzustand, das heißt ohne Matrix 7, in eine Werkzeugkavität 13 eines RTM-Werkzeugs 15 eingelegt. Anschließend erfolgt ein Formgebungsschritt, bei dem die Werkzeugkavität 13 geschlossen wird und eine flüssige Ausgangskomponente der Matrix über einen Angusskanal 17 unter Druck und Wärme in die Werkzeugkavität 13 des RTM-Werkzeugs 15 eingeleitet wird und die Faserhalbzeuge 5 infiltriert. In der 2 sind die beiden Faserhalbzeuge 5 nach erfolgtem Einlegeschritt über einen Freiraum 19 voneinander beabstandet. Der Angusskanal 17 mündet direkt in den Freiraum 19 zwischen den Faserhalbzeugen 5. Nach erfolgter Formgebung (3) ist der Freiraum 19 mit faserfreier Matrix 7 gefüllt, wodurch ein faserfreier Matrixabschnitt 21 gebildet wird, der die beiden faserverstärkten Kernbereiche 3 miteinander verbindet. Zudem werden die beiden Faserhalbzeuge 5 von der flüssigen Ausgangskomponente der Matrix 7 infiltriert.

Bei einer Infiltration der Matrix 7 orthogonal zur Faserrichtung kann es im gebildeten Kunststoffrohteil 23 zu Trockenstellen kommen. Um solche Trockenstellen zu vermeiden, mündet in der 2 oder 3 der Angußkanal 17 direkt in den Freiraum 19 zwischen den beiden Faserhalbzeugen 5. Auf diese Weise kann eine Matrix-Infiltration quer zur Dickenrichtung der Faserhalbzeuge 5 erfolgen, das heißt in Flucht mit der Faserrichtung.
Nach der Aushärtung folgt ein Entnahmeschritt, bei dem ein gebildetes Kunststoffrohteil 23 ( 4) aus dem RTM-Werkzeug 15 entnommen wird.
Anschließend wird ein Beschnittprozess (5) durchgeführt, bei dem mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs 25 (5) das faserverstärkte Kunststoffrohteil 23 entlang einer Soll-Trennlinie 27 spanend getrennt wird, und zwar unter Bildung der beiden Kunststofffertigteile 1. Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass das faserverstärkte Kunststoffrohteil 23 entlang der Soll-Trennlinie 27 den faserfreien Matrixabschnitt 21 aufweist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass an den Schnittkanten 9 der im Beschnittprozess gebildeten Kunststofffertigteile 1 die Faserhalbzeuge 5 von der Matrix 7 umschlossen bleiben. Hierzu ist gemäß der 4 der entlang der Soll-Trennlinie 27 verlaufende faserfreie Matrixabschnitt 21 unterteilt in einen Trennsteg 29 sowie in beidseitig davon verlaufenden Matrixmaterialstegen 31. Die faserfreie Matrix 7 im Trennsteg 29 wird im Beschnittprozess (5) als Beschnittmaterial (das heißt als Späne) abgeführt, während die beidseitig des Trennstegs 29 verlaufenden Matrixmaterialstege 11 im jeweils gebildeten Kunststofffertigteil 1 das Faserhalbzeug 5 an der Schnittkante 9 überdecken.
Bezugszeichenliste

1: faserverstärktes Kunststofffertigteil
3: faserverstärkter Kernbereich
5: Faserhalbzeug
7: Matrix
9: Schnittkante
11: faserfreier Matrixmaterialsteg
13: Werkzeugkavität
15: RTM-Werkzeug
17: Angusskanal
19: Freiraum
21: faserfreier Matrixabschnitt
23: faserverstärktes Kunststoffrohteil
25: Schneidwerkzeug
27: Soll-Trennlinie
29: Trennsteg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0061273 B1 [0005]
DE 102011085971 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung zumindest zweier faserverstärkter Kunststofffertigteile (1), mit den folgenden Prozessschritten: - Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoffrohteils (23) aus einer, in einer Matrix (7) eingebetteten Faserstruktur; und - Beschnitt des faserverstärkten Kunststoffrohteils (23) an einer Soll-Trennlinie (27) unter Bildung der faserverstärkten Kunststofffertigteile (1), dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffrohteil (23) entlang der Soll-Trennlinie (27) einen faserfreien Matrixabschnitt (21) aufweist, so dass an den Schnittkanten (9) der im Beschnittprozess gebildeten Kunststofffertigteile (1) keine Faserenden der Faserstruktur freilegt sind und/oder die Faserstruktur an den Schnittkanten (9) von der Matrix (7) umschlossen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur für jedes herzustellendes Kunststofffertigteil (1) ein separates Faserhalbzeug (5) aufweist, und dass das Kunststoffrohteil (23) für jedes herzustellende Kunststofffertigteil (1) einen Kernbereich (3) mit einem matrixdurchtränkten Faserhalbzeug (5) aufweist, und dass die Kernbereiche (3) über den faserfreien Matrixabschnitt (21) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang der Soll-Trennlinie (27) verlaufende faserfreie Matrixabschnitt (21) unterteilt ist in einen entlang der Soll-Trennlinie (27) verlaufende Trennsteg (29), dessen faserfreie Matrix (7) im Beschnittprozess als Beschnittmaterial abgeführt wird, und in beidseitig des Trennstegs (29) verlaufende Matrixmaterialstege (11), die nach erfolgtem Beschnittprozess im jeweiligen Kunststofffertigteil (1) das Faserhalbzeug (5) an der Schnittkante (9) überdeckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffrohteil (23) mittels eines RTM-Prozesses bereitgestellt wird, in dem in einem Einlegeschnitt die beiden Faserhalbzeuge (5) im Trockenzustand, das heißt ohne Matrix (7), in eine Werkzeugkavität (13) eines RTM-Werkzeugs (15) eingelegt werden, und in einem Formgebungsschritt eine flüssige Ausgangskomponente der Matrix (7) unter Druck und Wärme in die geschlossene Werkzeugkavität (13) des RTM-Werkzeugs (15) eingebracht wird und die Faserhalbzeuge (5) infiltriert, und in einem Entnahmeschritt nach erfolgter Aushärtung das gebildete Kunststoffrohteil (23) aus dem RTM-Werkzeug (15) entnommen und dem Beschnittprozess zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einlegeschritt die beiden Faserhalbzeuge (5) über einen Freiraum (19) voneinander beabstandet sind, in dem im Formgebungsschritt der faserfreie Matrixabschnitt (21) gebildet wird, und dass insbesondere im Formgebungsschritt die flüssige Ausgangskomponente der Matrix (7) über einen Angußkanal (17) in die Werkzeugkavität (13) eingeleitet wird, der direkt in den Freiraum (19) zwischen den Faserhalbzeugen (5) mündet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffrohteil (23) in einem Prepreg-Verfahren bereitgestellt wird, bei dem in einem Einlegeschritt die Faserhalbzeuge (5) als Prepregteile, die bereits mit einer Ausgangskomponente einer reaktiven duroplastischen Matrix (7) durchtränkt sind, in eine Werkzeugkavität eines Prepreg-Werkzeugs eingelegt werden, und in einem Formgebungsschritt die Faserhalbzeuge (5) im Prepreg-Werkzeug unter Druck und Wärme zu dem Kunststoffrohteil (23) geformt werden, und in einem Entnahmeschritt nach erfolgter Aushärtung das gebildete Kunststoffrohteil (23) dem Beschnittprozess zugeführt wird.