DE10321824A1

DE10321824A1 - Verfahren zum Giessen von Strukturverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE10321824A1
Application number: DE10321824A
Authority: DE
Inventors: James Michael Ockers
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2003-12-04
Also published as: GB0307356D0; GB2389068B; US20030214081A1; GB2389068A

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Strukturverbundwerkstoffmaterialien. Das Verfahren wendet einen positiven Druck auf eine Formöffnung (12) an, nachdem die Gussform (2) mit einem Harz (50) gefüllt ist, um die Größe der Hohlräume durch Zusammenbrechen der Hohlräume zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von verbesserten Fahrgestellkomponenten für ein Kraftfahrzeug und insbesondere auf ein Verbundwerkstoffteil mit einem hohen Faseranteil, das in Querfedern für Fahrgestellkomponenten verwendet wird.
Quer ausgedehnte Blattfedern sind als Teil des Aufhängungssystems allgemein bekannte Komponenten in heutigen Fahrzeugen. Diese Federn gewährleisten die Fahrzeughöhe und die Lage bei Veränderungen des Straßenzustandes, um eine angenehme Fahrt und eine horizontale Lage des Fahrzeugs während der Bewegung beizubehalten. Blattfedern sind im Allgemeinen aus Stahl oder anderen Legierungszusammensetzungen ausgebildet und bilden eine schwere Komponente in einem Fahrzeug. Es ist eine generelle Aufgabe von Ingenieuren das Fahrzeuggewicht zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs zu reduzieren. Eine Möglichkeit besteht darin, Metallkomponenten durch leichtere Plastik- oder Verbundwerkstoffe zu ersetzen.
Verbundwerkstoffkomponenten haben im Flugzeugbau, beim Militär und im Automobilbereich aufgrund ihrer hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht Akzeptanz erlangt. Das geringe Gewicht ist ein wünschenswerter Aspekt, jedoch ist die mechanische Festigkeit ein wichtiger Punkt. Bei Verbundwerkstoffen ist die mechanische Performance der Verbundwerkstoffkomponenten direkt auf die Menge der Verstärkung (der Faserbeladung) bezogen, die in den Verbundwerkstoffkomponenten vorhanden sind.
Verbundwerkstoffkomponenten werden im Allgemeinen unter Benutzung von Druckinjektionsverfahren für Harz (resin transfer molding) (RTM) hergestellt. RTM ist ein gebräuchlicher Prozess, der ursprünglich 1940 eingeführt wurde. In diesem Verfahren wird eine zweiteilige passende Form (oder Werkzeug) hergestellt, eine Vorform oder Verstärkung wird in der Gussform platziert und die Gussform wird geschlossen. Ein Harz wird dann unter niedrigem Druck über Einspritzzugänge in die Gussform gepumpt, wobei das Harz einem vorgeformten Pfad durch die Vorform folgt. Sowohl das Harz als auch die Gussform werden im Allgemeinen vorgeheizt, um die für die Anwendung erforderliche Viskosität des Harzes zu verringern.
Es wurden viele Patente mit Verfahren zur Erzeugung von festeren Verbundwerkstoffkomponenten veröffentlicht. Zwei wichtige Faktoren, die die mechanische Festigkeit einer Verbundwerkstoffkomponente beeinflussen, sind der Prozentsatz von Fasern und Anzahl und Größe von Hohlräumen (oder Lufttaschen) in der fertig gestellten Verbundwerkstoffkomponente.
Das US-Patent 5,686,038 von Christensen verwendet ein poröses Werkzeug mit Gelenkeinlässen in der Gussform. Die porösen Einlässe können die Luft teilweise absorbieren, da die Gelenkeinlässe das Teil komprimieren. Obwohl es funktionell ist, ist es ein teures und unflexibles Werkzeugdesign.
In dem US-Patent 5,449,285 von Choinere werden Stäbe in die Gussformhohlräume von linearen Aktuatoren eingezwängt, um die Komponente zu durchstoßen und es so zu ermöglichen, dass das Gas aus der Komponente austreten kann. Dies stellt ebenso eine mechanische Komplikation für das Werkzeug dar.
Das US-Patent 5,443,778 von Schlingman verwendet ein Entlüftungsdesign mit einem Fliessregler, sodass das überschüssige Harz nicht in den Entlüftungsschacht entweichen kann. Diese Konstruktion basiert auf dem Druck von dem Injektionsfluss, um die Lufttaschen aus dem gegossenen Teil herauszudrücken. Jedoch werden aufgrund der niedrigen Viskosität des Verbundharzes viele Lufttaschen in der Komponente verbleiben.
Die oben erwähnten Nachteile von US-Patent 5,449,258 werden in dem US- Patent 5,322,109 von Cornie verbessert. Cornie verwendet einen Druck durch das Entlüftungsrohr. Jedoch sind zwei separate Kammern (eine für das Vakuum und eine zweite für den Druck) erforderlich. Die Gussform muss während des Prozesses zwischen die Kammern gebracht werden, was sich als außergewöhnlich beschwerlich darstellt.
Das US-Patent 5,023,041 von Jones verwendet gegenüber den zuvor erwähnten Verfahren ein verbessertes Verfahren. Jedoch verfügt diese Erfindung nicht über einen Vakuumeinlass. Zusätzlich wird das überschüssige Harz durch die Ventile strömen, wodurch diese nach jedem geformten Teil ersetzt werden müssen. Dies erweist sich für eine Massenproduktion, beispielsweise für Automobilkomponenten als impraktikabel.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffkomponenten für Blattfedern wurde in vorherigen Patenten untersucht. Im US-Patent 4,659,071 von Woltron wird die Verwendung von Verbundwerkstoffstrukturen für eine Plastikblattfeder beschrieben. In diesem Patent wird ein kontinuierliches Netz von Verstärkungslagen verwendet. Die Fasern sind mit einem harten Kunststoff imprägniert und das Netz wird in einer kontinuierlichen Rolle eingewebt und in der Gussform platziert. Obwohl es potenziell praktisch ausgebildet ist, stellt dies ein hoch kompliziertes und teures Verfahren dar.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Plastikblattfeder wird in dem US-Patent 4,747,898 gezeigt, ebenso von Woltron. Dieses Verfahren verwendet zuvor ausgehärtete Plastikstreifen, die mit einer hohen Faserfestigkeit verstärkt sind und in Richtung der Federn ausgerichtet sind. Die stellt sich als ein schwieriges und teures Verfahren zur Herstellung von Plastikblattfedern dar.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Strukturverbundwerkstoffkomponenten mit einer verbesserten Festigkeit, einem reduzierten Gewicht und verringerten Kosten anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Strukturverbundwerkstoffen angegeben, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um in Fahrzeugen als strukturelle Fahrgestellkomponenten verwendet zu werden.
Harzgießen ist im Allgemeinen aufgrund der chemischen Reaktion des in das Werkzeug eingespritzten reaktiven Fluides ein langsames Verfahren, dass derart angepasst werden muss, dass der Beginn des Erstarrens des Harzes erst auftritt, nachdem die Vorform oder Verstärkung, beispielsweise eine Fasermatte, mit dem Harz getränkt ist. Die Flussrate des Harzes durch die Verstärkung ist eine Funktion der Viskosität des Harzes, der Permeabilität der Verstärkung und des Anpressdrucks. Um den Harzfluss in der Form zu unterstützen, wird die Form im Allgemeinen vorgeheizt. Für den Anpressdruck besteht ein oberes Limit, um einen Versatz der Verstärkungen, der vom Harzfluss bewirkt wird, zu verhindern (allgemein als Fiberwash bezeichnet). Durch einen erhöhten Faseranteil, mit dem die Festigkeit des Verbundwerkstoffes maximal erhöht werden kann, wird die Permeabilität der Verstärkung jedoch exponentiell verringert.
Um Lufttaschen und Hohlräume im Endprodukt zu verringern und somit die Festigkeit zu erhöhen, müssen die Formhälften gut abgedichtet werden. Diese Abdichtung ermöglicht es auch, dass vor dem Einspritzen des Harzes ein Vakuum in den Formhohlräumen gebildet werden kann, wobei die Durchlaufzeit verkürzt wird und die Entstehung von Hohlräumen unterstützend verringert wird. Nachdem der Einspritzprozess abgeschlossen ist, und das Harz noch in einem flüssigen Zustand ist, kann das Vakuum Luft in die Gussform und auch potenziell in die Verbundwerkstoffsteile einziehen, wodurch die Größe von allen existierenden Hohlräumen erhöht und die mechanische Festigkeit der fertigen Komponente verringert wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen positiven Druck auf das Harz, während das Harz noch in einem flüssigen Zustand ist, nachdem die Formhohlräume gefüllt wurden. Der Zweck dieses Schrittes dient der Entfernung des Druckgradienten in den Formhohlräumen und dem Zusammenfallen von jeglichen Hohlräumen. Das Gussformmaterial und die Einlässe müssen dementsprechend ausreichend steif ausgebildet sein, um diesem positiven Druck zu widerstehen.
Während der Befüllung der Gussform wird die Gussform derart belüftet, dass der Harzfluss zu einem Entlüftungsschacht gerichtet wird, der entweder am höchsten Punkt des Formhohlraumes oder über dem Formhohlraum angeordnet ist. Etwas Harz wird während des Einfüllprozesses teilweise den Entlüftungsschacht füllen. Wenn der positive Druck angewendet wird, wird dieses Harz von dem Entlüftungsschacht zurück in den Formhohlraum gezwängt werden, wodurch jegliche Hohlräume zusammenfallen. Die Flussrate wird an diesem Punkt sehr niedrig sein, wodurch ein zusätzlicher Vorteil der verbesserten Mikroskalabefeuchtung und die Möglichkeit entstehen, einen höheren Faseranteil zu erreichen.
Die Verwendung dieser Technik erlaubt es, höhere Faseranteile für willkürliche Verstärkungen zu verwenden. Es wird erwartet, dass ein Faseranteil von mehr als 50% des Volumens einfach erreicht werden kann. Es ist allgemein bekannt, dass mit dem aktuellen Flüssiggießen der maximale Faseranteil pro Volumen bei 30 bis 35% für willkürliche Verstärkungen liegt. Der Vorteil des erhöhten Faseranteils in einer Verbundwerkstoffkomponente liegt in den verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie z. B. das Modul oder die Festigkeit, die ein geringeres Gewicht der Strukturverbundwerkstoffkomponenten ermöglichen, um Festigkeiten herauszustellen, die an die von Metall von heranreichen. Dies ermöglicht darüber hinaus niedrigere Kosten (wenn die Faserkosten niedriger sind als die Harzkosten) und niedrigere Gewichtsanteile bei der Verwendung von Strukturkomponenten, insbesondere bei Querfedern für Automobilanwendungen.
Obwohl die Diskussion auf RTM (Resin Transfer Molding) gerichtet war, findet der Fachmann vergleichbare Anwendungen der vorliegenden Erfindung mit anderen Flüssiggießverfahren, beispielsweise Strukturreaktionsspritzgießen (SRIM) und Spritzdruckgießen (ICM). Zusätzliche Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erindung werden dem Fachmann, an den sich die Erimdung richtet, aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und der angehängten Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, welches die bevorzugten Schritte zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des Entlüftungsschachtes der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden wird auf die Figuren Bezug genommen. In Fig. 1 wird eine Gussform 2 zur Formung eines Verbundwerkstoffteils gezeigt, nämlich eine quadratische Platte 4. In diesem Fall wird ungehärtetes Harz 50 (dargestellt in Fig. 3) in einen Formhohlraum eingebracht, in dem eine Vorform oder Verstärkung 3 angeordnet ist, die als vernetztes Gitter dargestellt ist. Das Harz tritt über den Harzeinlass 6 ein und breitet sich in der Gussform 2 über eine Einlasszufuhr 10 und einen Randzugang 8 aus, die sich beide über die Breite der Gussform 2 ausdehnen. Auf einer Seite der Gussform 2, im Allgemeinen dem Harzeinlass 6 gegenüberliegend, beindet sich ein Entlüftungsschacht 12. Im Entlüftungsschacht 12 wird belüftetes, unausgehärtetes Harz 50 gesammelt, das oben an einem belüfteten Scherrand 9 und oberhalb des Hohlraumes zum Ausformen der quadratischen Platte 4 selbst angeordnet ist. Sowohl das Vakuum als auch der danach folgende Einspritzdruck werden einem Anschluss 52 zugeführt, wie in Fig. 3 gezeigt, der mit dem Entlüftungsschacht 12 kommuniziert.
Im Folgenden wird auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erindung wird der erste allgemeine Schritt im Block 20 durchgeführt, um eine Vorform 3 in die Gussform 2 einzubringen. Die Art und Weise des Einbringens ist dem Fachmann gut bekannt und wird hier nicht im Detail beschrieben. Als Nächstes wird in Block 22 die Gussform 2 geschlossen und ein Vakuum über den Entlüftungsschacht 12 aufgebaut. Mit dem Aufbauen des Vakuums wird ungehärtetes Harz 50 durch den Harzeinlass 6 in Block 24 eingespritzt. Das unausgehärtete Harz 50 fließt durch den Einlass 6, durch die Einlasszufuhr 10 und über den Randzugang 8 in den Formhohlraum und über die Vorform 3. Überschüssiges unausgehärtetes Harz 50 fließt bis zum belüfteten Scherrand 9 und sammelt sich in dem Entlüftungsschacht 12. Nachdem die Gussform 2 gefüllt ist, wird das Vakuum über den Entlüftungsschacht 12 abgebaut und ein positiver Druck über den Entlüftungsschacht 12 ausgeübt. Dies wird im Block 26 gezeigt. Während dieses Schrittes wird der positive Druck verwendet, um die Hohlräume in der zu gießenden Komponente zusammenfallen zu lassen. Im Harzaushärteschritt im Block 28 wird dem ungehärteten Harz 50 ermöglicht, mit dem immer noch angewendeten Druck auszuhärten. Wenn es einmal ausgehärtet ist, wird die Gussform 2 geöffnet und die fertig gestellten Teile, eine quadratische Platte 4, werden im Block 30 entfernt, wodurch das Verfahren abgeschlossen ist.
Nun wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Dort wird der Entlüftungsschacht 12 in einzelnen Details dargestellt. Da eine Vakuumquelle 46 das Vakuum (Schritt in Block 22) in der versiegelten Gussform 2 aufbaut, indem Luft in Vakuumrichtung 48 über den Anschluss 52 heraus gezogen wird, tritt das unausgehärtete Harz 50 über den Entlüftungseinlass 40 in den Entlüftungsschacht 12 ein. Der Entlüftungseinlass 40 kann ein belüfteter Scherrand 9, wie oben erwähnt, sein. Wenn die Gussform 2 mit dem unausgehärteten Harz 50 bis zu einem gewünschten Volumen aufgefüllt ist, wird die Vakuumquelle 46 ausgeschaltet und eine positive Druckquelle 42 eingeschaltet. Ein Gasdruck wird von einer positiven Druckquelle 42 in Druckrichtung 44 über den Anschluss 52 angewendet, der das unausgehärtete Harz 50 aus dem Entlüftungsschacht 12 heraus und zurück in den Entlüftungseinlass 40 und in den Formhohlraum zwingt. Jegliche Hohlräume im Harz der unausgehärteten Komponente brechen aufgrund des angewendeten Gegendrucks, des zurückfließenden unausgehärteten Harzes und der Unfähigkeit des Harzes, innerhalb des Formhohlraumes über die Verschlüsse der Gussform 2 oder der Einlasszufuhr 10 auszutreten, zusammen. Dieser Druck von der Druckquelle 42 wird aufrechterhalten, bis das Harz 50 ausgehärtet ist. Wenn es einmal ausgehärtet ist, wird die Druckquelle 42 ausgeschaltet, die Gussform 2 wird geöffnet und die Strukturverbundwerkstoffkomponente wird entfernt.
Obwohl die obige Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung definiert, wird es erkannt, dass die Erfindung für Modifikationen, Variationen und Veränderungen zugänglich ist, ohne von dem Gegenstand und wahren Bedeutung der angehängten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Gießen einer Verbundwerkstoffkomponente, das Verfahren umfasst die Schritte:

- Einlegen einer Vorform (3) in eine Gussform (2);

- Schließen der Gussform (2);

- Aufbauen eines Vakuums in der Gussform (2) über eine Entlüftungsschacht (12);

- Einspritzen eines Harzmaterials (50) in die Gussform (2) durch einen Harzeinlass (6);

- Bewirken, dass ein Teil des Harzes (50) wenigstens teilweise den Entlüftungsschacht (12) ausfüllt;

- Beenden der Vakuumerzeugung, nachdem das Harz (50) in die Gussform (2) gespritzt wurde;

- Anwenden eines positiven Druckes über den Entlüftungsschacht (12) und Erzwingen, dass wenigstens etwas Harz (50) aus dem Entlüftungsschacht (12) zurück in die Gussform (2) geht;

- Aushärten des Harzes (50); und

- Öffnen der Gussform (2) und Entfernen der fertig gestellten Komponente aus der Gussform (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Einspritzschritt das Harz (50) durch den Harzeinlass (6) zu einem Randzugang (8) und in die Gussform (2) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem beim Einspritzschritt das Harz (50) von dem Harzeinlass (6) in eine Einlasszufuhr (10) und nachfolgend zu dem Randzugang (8) eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens eines Vakuums und des Anwendens eines positiven Druckes über einen gemeinsamen Anschluss (52) vorgenommen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bewirkens, dass wenigstens ein Teil des Harzes (50), teilweise den Entlüftungsschacht (12) füllt, weiter bewirkt, dass das Harz (50) über eine Randöffnung zu dem Entlüftungsschacht (12) fließt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren ein Druckinjektionsverfahren für Harz (resin transfer molding-RTM) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren ein Vakuum unterstütztes Druckinjektionsverfahren (VARTM) für Harz ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren ein strukturelles Reaktionsspritzgießverfahren (SRIM) ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Einspritzkompressionsgießverfahren (ICM) ist.