DE10258630A1 - Verfahren zu Herstellung langfaserverstärkter, thermoplastischer Bauteile - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung langfaserverstärkter, thermoplastischer Bauteile vorgeschlagen, wobei die Langfasern in Form einer flächigen Struktur bereitgestellt werden und in einem Formwerkzeug mit thermoplastischem Kunststoff zusammengebracht werden, gekennzeichnet durch Positionieren der Faserstruktur in einer Kavität (3) eines mindestens zweiteiligen Formwerkzeugs (2), danach im Wesentlichen druckloses Einbringen von thermoplastischem, flüssigem Kunststoff (4) bei teilweise geöffnetem Formwerkzeug (2) und anschließendes Zusammendrücken der Formhälften (5, 6) des Formwerkzeugs (2) zur gleichmäßigen Druckbeaufschlagung des zu formenden Bauteils durch einen Prägevorgang.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung langfaserverstärkter thermoplastischer Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Kunststoffbauteilen zur Verwendung in Automobilen, wobei eine flächige Struktur bestehend aus Langfasern mit einem thermoplastischen Kunststoff in einem Formgebungsschritt zusammengebracht wird. Derartige Verfahren dienen zur Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen mit komplexen, unterschiedlichen Formen, wobei in der Regel eine insgesamt flächige Bauteilgeometrie aus dem Thermoplast unter Verstärkung mittels einer Struktur aus Langfasern geformt wird. Unter Langfaserstruktur wird vorliegend jede Verwendung von faserartigen Verbindungen oder Gelegen verstanden, die zur Verstärkung, das heißt zur lokalen oder vollständigen Versteifung eines Bauteils, mit dem thermoplastischen Kunststoff zusammen verarbeitet werden. Die Verwendung von Kunststoff-Verbundwerkstoffen hat Vorteile hinsichtlich des Gewichts bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften.
• Langfaserstrukturen werden bisher bei klassischen Verarbeitungsverfahren für duroplastische Faserverbundkunststoffe, wie z. B. Pressen eingesetzt. Im Bereich des Pressens finden auch Glasmatten verstärkte Thermoplaste (GMT) Anwendung. Bei diesen bekannten Verfahren, wo mit thermoplastischen Kunststoffmaterial imprägnierte Fasermatten verpresst werden besteht das Problem einer schlechten Reproduzierbarkeit der Bauteile und insbesondere ihrer Oberflächenstruktur. Des Weiteren ist es bei diesen bekannten Verfahren schwierig, die Verfahrensschritte zu kontrollieren und eine gleichmäßige Prozessführung mit gleichbleibend qualitativen Produktergebnissen zu realisieren. Die Schwierigkeiten in der Verfahrenssteuerung liegen vor allem darin, dass zunächst die imprägnierten Fasermatten zugeschnitten werden müssen, sodann aufgeheizt bzw. aufgeschmolzen werden müssen und anschließend in einem kalten Formwerkzeug positioniert und fixiert werden müssen, um in einem Pressvorgang in die endgültige Form gebracht zu werden. Anschließend muss das geformte Bauteil noch abgekühlt werden.
• Bei diesen Verfahren, in denen mit thermoplastischen Kunststoff imprägnierte Fasermatten oder dergleichen verpresst werden, besteht insbesondere das Problem einer schlechten Oberflächenqualität. Die Reproduzierbarkeit ist ebenso problematisch, da durch die aufwändige Vorbereitung der Formmassen vor dem eigentlichen Formgebungsprozess gleichbleibende Bauteileigenschaften schwierig zu realisieren sind.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber zur Aufgabe, faserverstärkte thermoplastische Bauteile herstellen zu können, die in ihrer Form und Oberflächenbeschaffenheit bei im Wesentlichen gleichbleibender Qualität in Serienfertigung auch in hoher Stückzahl herstellbar sind. Das Verfahren soll die Herstellung komplex geformter, jedoch in ihrer Steifigkeit und Festigkeit beeinflussbarer Bauteile ermöglichen, ohne aufwändige Vorkehrungen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Schritten des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung von langfaserverstärkten thermoplastischen Bauteilen eine Faserstruktur, das heißt ein Gelege oder Gewirke von verbundenen Fasern, in einer Kavität eines mindestens zweiteiligen Formwerkzeuges positioniert und anschließend im Wesentlichen ohne hohen Druck ein flüssiges thermoplastisches Kunststoffmaterial bei teilgeöffnetem Formwerkzeug in die Kavität eingebracht. Anschließend wird durch Zusammendrücken der Formhälften des Formwerkzeuges eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckbeaufschlagung zur Verbindung und Formgebung der Fasermatte und des Kunststoffes zur Herstellung eines Bauteils erreicht. Unter Zusammendrücken wird vorliegend ein leichtes Drücken bzw. Prägen verstanden, sodass unter Verdrängung von Kunststoffmaterial die letztendliche Formgebung realisiert werden kann.
• Entweder wird die Faserverstärkung, das heißt die Matte oder das Gelege von Verstärkungsfasern, hierbei lediglich benetzt oder sie wird vollständig von dem Kunststoff durchdrungen, das heißt getränkt. Hierdurch können mit größtmöglicher Reproduzierbarkeit komplexe, flächige Bauteile hergestellt werden, die gegenüber zum Beispiel metallischen Bauteilen relativ leicht sind. Die mechanischen Eigenschaften, das heißt insbesondere die Druck-, Zug- oder Verformungsfestigkeit, können auf einfache Weise durch eine entsprechende Orientierung der Verstärkungsfaser oder ihrer Positionierung in dem thermoplastischen Kunststoff gesteuert werden. Es ist hierdurch möglich, Bauteile mit lokal oder insgesamt entsprechend von häufigen Belastungsfällen optimierten Verstärkungen zu versehen. Die derart unter Verwendung von Verstärkungsfasern hergestellten Bauteile können zudem einfach wieder verwertet werden. Die Bauteilduktilität ist aufgrund der thermoplastischen Matrix im Vergleich zu bisher bekannten faserverstärkten duroplastischen Kunststoffbauteilen verbessert. Es können Verbindungen mit anderen Bauteilen hergestellt werden. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von reproduzierbaren Bauteilen auf einfache Weise, ohne dass Bearbeitungsschritte im Nachgang einer Formgebung zur Fertigstellung des Teils erforderlich wären. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise in einem automatisierten Herstellungsprozess bzw. einer Serienfertigung durchgeführt werden. Die Bauteilekosten lassen sich auf diese Weise erheblich reduzieren.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Prägevorgang, das heißt das gleichmäßige Zusammendrücken der Formhälften zur endgültigen Formgebung des Bauteils und gegebenenfalls der Vorgang des Einspritzens von flüssigem Kunststoff mehrmals wiederholt. Auf diese Weise kann eine bessere Oberflächenqualität von Bauteilen realisiert werden. Die mehrfache Prägung kann hierbei mit demselben Matrixmaterial oder mit einem anderen Matrixmaterial erzielt werden. Somit können Bauteile mit hoher Oberflächenqualität hergestellt werden, ohne dass eine zusätzliche Bearbeitung oder Beschichtung des Verbundmaterials vonnöten wäre.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Faserstruktur in der Kavität eines mehrteiligen Formwerkzeuges mit Fixiermitteln befestigt. Dadurch wird vermieden, dass die Faserstruktur beim anschließenden Zusammenbringen mit flüssigem Kunststoffmaterial verrutscht. Die Faser kann gezielt beispielsweise an der späteren Außenseite des Bauteils zur Bildung einer äußeren Oberfläche desselben angeordnet werden.
• Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung werden mehrere Lagen einer flächigen Faserstruktur zur Herstellung faserverstärkter, thermoplastischer Bauteile verwendet. Auf diese Weise können auch hochfeste Bauteile durch Verwenden ein und derselben Faserverstärkungsstruktur hergestellt werden, indem beispielsweise bereichsweise mehrere Lagen übereinandergeschichtet werden.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Faserstruktur verwendet, welche beim Zusammenbringen mit flüssigem thermoplastischen Kunststoff im Wesentlichen vollständig von diesem durchdrungen wird. Die Faserdichte und/oder -stärke wird hierbei so gewählt, dass flüssi ger Kunststoff die Faserstruktur vollständig durchdringen kann. Durch eine derart getränkte Faserstruktur wird die Verbindung zwischen den Werkstoffen verbessert und die Materialhomogenität erhöht.
• Nach einem hierzu alternativen Aspekt der Erfindung wird eine entsprechend dichte Faserstruktur verwendet, welche mindestens teilweise von thermoplastischem Kunststoff eingebettet wird, ohne jedoch von diesem vollständig durchdrungen zu werden. Die Faserstruktur kann hierbei von dem flüssigen Kunststoff verdrängt werden und liegt beispielsweise an einer Wand einer Werkzeughälfte derart an, dass sie anschließend eine Außenhaut des Bauteils bildet.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Faserstruktur so in dem Formgebungswerkzeug positioniert, dass sie eine Oberfläche des zu formenden Bauteils bildet. Somit können beispielsweise Bauteile mit auf einer Seite hochqualitativer Oberfläche aufgrund des Kunststoffmaterials gebildet werden, wohingegen die rückwärtige Seite der Bauteile den faserverstärkten und in seiner Oberfläche ungleichmäßigen Teil aufweist.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden eine oder mehrere faserfreie Fügeflächen vorgesehen, die zur späteren Verbindung mit anderen Bauteilen dienen. Die faserfreien Fügeflächen haben den Vorteil, dass beispielsweise durch Kunststoffschweißen eine leichte Verbindung mit anderen Kunststoffteilen erfolgen kann.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die mechanischen Eigenschaften des Bauteils gezielt lokal beeinflusst durch Verwenden unterschiedlicher Arten und Schichten von Fasermaterial innerhalb eines zu bildenden Bauteils. Die Variationsmöglichkeiten in der konstruktiven Ausgestaltung und den mechanischen Eigenschaften von Bauteilen sind so vergrößert.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Faserstruktur ein Gelege, ein Gewirk oder ein Geflecht von Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramid- Polyamid- und oder von Polyesterfasern verwendet.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
• In den 1 bis 3 sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen thermoplastischer, faserverstärkter Bauteile wiedergegeben.
• 1 zeigt den ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher bei beiden alternativen Ausführungsbeispielen gleich ist:
  Eine faserartige Struktur 1 wird in einer Kavität 3 eines Formwerkzeuges 2 positioniert und fixiert. Das Formwerkzeug 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Formhälften 5, 6 auf, die zwischen sich eine Kavität 3 bilden, entsprechend der herzustellenden Bauteilgeometrie. Die Faserstruktur 1, welche beispielsweise ein Glasfasermatte ist, die als Langfaserstruktur als Rohmaterial eingesetzt wird, wird bei geöffnetem Formwerkzeug 2 beispielsweise an einer der Formhälften (hier die Formhälfte 5) befestigt. Die Faserstruktur 1 kann sich hierbei über das gesamte Bauteil erstrecken oder lediglich über einen bestimmten Teil davon, zur lokalen Ausbildung einer Verstärkung. Die faserartige Verstärkungsstruktur 1 kann beispielsweise ein Gewirk, ein Gewebe, ein Gestrick oder ein Geflecht aus Glasfasern oder ähnlichen Langfasern wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder dergleichen sein.
• In einem zweiten Verfahrensschritt, der in den 2a und 2b wiedergegeben ist, werden die Formhälften 5, 6 des Formwerkzeugs 2 aufeinander zu bewegt und in teilgeöffnetem Zustand gehalten. Anschließend wird flüssiger Kunststoff, insbesondere dünnflüssiger thermoplastischer Kunststoff zwischen die Formhälften 5, 6 eingebracht, was in 2a und 2b mit 4 bezeichnet ist. Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß 2a und 2b unterscheiden sich lediglich durch die Art der verwendeten Faserstruktur 1: Während in 2a eine relativ dichte Faserstruktur 1 verwendet wird, die lediglich vom Kunststoff 4 benetzt wird und nicht von diesem vollständig durchdrungen wird, ist die Faserstruktur 1 in der 2b von einer derartigen Konsistenz und Dichte, dass der flüssige Thermoplast 4 vollständig die Faserstruktur 1 durchdringt, das heißt sie vollständig tränkt.
• Nach dem Einbringen von flüssigem Kunststoff 4 wird anschließend in einem dritten Verfahrensschritt, der in 3 gezeigt ist, mittels eines Prägehubs (durch den Pfeil illustriert) die endgültige Form des herzustellenden Bauteils 7 realisiert unter gleichmäßigem Zusammendrücken der beiden Formhälften 5, 6 und unter Ausgleich der Materialschwindung. Dieser Vorgang und gegebenenfalls der Vorgang des Einspritzens von weiterem flüssigen Kunststoff kann zur Herstellung einer hohen Oberflächenqualität mehrfach wiederholt werden. Der als Prägevorgang beschriebene letzte Verfahrensschritt erfolgt selbstverständlich in einem Zustand, in welchem der thermoplastische Kunststoff noch mindestens teilweise flüssig, jedenfalls noch formbar ist. Nach einem anschließenden Abkühlen des Materials kann durch Öffnen der Formhälften 5, 6 das fertige Bauteil 7, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich in seinem Mittenbereich mit einer Faserstruktur 1 verstärkt ist, entnommen werden.
• Sämtliche in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl ein zeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung langfaserverstärkter thermoplastischer Bauteile, wobei die Langfasern in Form von flächigen Strukturen (1) in einem Formwerkzeug (2) bereitgestellt wird und mit thermoplastischem Kunststoff zusammengebracht wird, gekennzeichnet durch a. Positionieren der Faserstruktur (1) in einer Kavität (3) eines mindestens zweiteiligen Formwerkzeugs (2); b. im Wesentliches druckloses Einbringen von thermoplastischem, flüssigem Kunststoff (4) bei teilweise geöffnetem Formwerkzeug (2); c. Zusammendrücken der Formhälften (5, 6) des Formwerkzeugs (2) zur gleichmäßigen Druckbeaufschlagung des zu formenden Bauteils durch einen Prägevorgang.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrmaliges Wiederholen von Schritt b und/oder c.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Fixieren der positionierten Faserstruktur (1) im Schritt a. durch Fixiermittel.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwenden mehrerer Lagen einer flächigen Faserstruktur (1).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwenden einer Faserstruktur (1), welche in Schritt b. im Wesentlichen vollständig von dem thermoplastischen Kunststoff durchdrungen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwenden einer entsprechend dichten Faserstruktur (1), welche in Schritt b. mindestens teilweise von thermoplastischem Kunststoff eingebettet wird, ohne von diesem vollständig durchdrungen zu werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Positionieren der Faserstruktur (1), sodass eine Oberfläche des zu formenden Bauteils (7) durch das Material der Faserstruktur (1) selbst gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausbilden einer faserfreien Fügefläche zur späteren Verbindung des Bauteils mit anderen Teilen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezielte, lokale Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils durch Verwenden unterschiedlicher Arten und Schichten von Fasermaterial.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwenden eines Geleges, Gewirkes oder Geflechtes von Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramid, Polyamid und/oder Polyester als Faserstruktur (1).