DE10360743A1

DE10360743A1 - Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen aus Faserverbundkunststoffen

Info

Publication number: DE10360743A1
Application number: DE10360743A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhöfer; Patrick Dr. Kim; Thomas Dr. Schuh; Alfonsius Antonius Maria Harbers; Geert Jan Albert Klumpermann; Ronald Leonardus Verleg
Original assignee: DaimlerChrysler AG; DSM IP Assets BV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-07-28
Also published as: US20050183816A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit komplexer Geometrie aus Faserverbundkunststoffen, wobei das Verfahren in zwei unabhängig voneinander chemische Reaktionen aufgeteilt ist, einer ersten Vorvernetzung während eines Vorformens in ein Halbzeug und einer abschließenden Vernetzung während des Umformens in eine abschließende Gestalt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit komplexer Geometrie aus Faserverbundkunststoffen.
Faserverbundkunststoffe (FVK) eignen sich aufgrund ihres Leichtbaupotenzials besonders für den Einsatz in der Luftfahrt, im Rennsport, im Energiebereich und im Schiffbau. Im Automobilbereich stehen hohe Kosten und eine begrenzte Kapazität für großvolumige Produktionen einer weiten Verbreitung von FVK entgegen, sodass deren Anwendung weitestgehend auf Nischenfahrzeuge des Hochleistungsbereichs beschränkt ist, wie beispielsweise bei Formel-1-Fahrzeugen.

Die heutige Produktionstechnik zur Herstellung von Strukturbauteilen aus FVK basiert in der Regel auf Verfahren, wie Autoklavverfahren, Wickeln und RTM, bei welchen eine Imprägnierung der Verstärkung mit Harz und ein Aushärten im gleichen Werkzeug stattfinden. Hierdurch sind relativ lange Taktzeiten aufgrund der langen Belegungszeiten der Werkzeuge die Folge, welche die Kosten des Verfahrens erheblich erhöhen.

Im Gegensatz hierzu sind Verfahren, welche hinsichtlich einer besseren Wirtschaftlichkeit größere Produktionsvolumen be werkstelligen können, wie beispielsweise Pultrusion (Tiefstrangziehen) oder Heißpressen, hinsichtlich der realisierbaren Geometrien der Strukturbauteile äußerst begrenzt. So lassen sich zur Zeit vorwiegend gerade Profile mit einem konstanten Querschnitt, beispielsweise bei der Pultrusion, herstellen. Darüber hinaus ist es nicht möglich, ohne zusätzliche Fügeschritte Hohlprofile zu verwirklichen.

Des Weiteren tritt bei derartigen Verfahren das Problem auf, dass eine präzise Kontrolle über die Orientierung der Faserverstärkung der Faserverbundkunststoffe und damit einhergehend die Vermeidung von Faserwelligkeiten in gekrümmten Bereichen der Bauteile schwierig zu realisieren ist.

Im Kraftfahrzeugbereich sind Strukturbauteile oftmals dadurch charakterisiert, dass sie komplexe Geometrien aufweisen, welche wiederum konstruktionsbedingt und einbaubedingt Stellen mit hoher, oft lokal begrenzter Beanspruchung aufweisen.

Demgegenüber besteht das Bedürfnis, bei der Kraftfahrzeug-Serienproduktion stets Verfahren für große Volumen, das heißt großserienfähige Prozesse mit geringen Taktzeiten, zur Anwendung zu bringen, da die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht. Dies bedeutet einerseits einen effizienten Einsatz von Werkstoffen, welche belastungsgerecht ausgelegt werden müssen, und andererseits kostengünstige Prozesse mit entweder einer reduzierten Anzahl von Prozessschritten oder mit einem deutlich erhöhten Durchsatz bzw. reduzierter Taktzeit.

Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit komplexer Geometrie aus Faserverbundkunststoffen zur Verfügung zu stellen, welches satbil ist und die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien in kurzer Zeit und mit hoher Qualität ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit komplexer Geometrie aus Faserverbundkunststoffen, welches die Schritte aufweist:

– Imprägnieren einer Faserstruktur mit einem duroplastischen Harz unter Ausbildung eines Faserverbundes;
– Vorformen des Faserverbundes in ein umformbares Halbzeug;
– gegebenenfalls eine rasches Abkühlen des Faserverbundes während des Vorformens unterhalb eine spezifische Temperatur, bei welcher eine Vernetzung des Harzes gestoppt wird; und
– Umformen des Halbzeugs in eine abschließende Gestalt und eine abschließende Vernetzung des Harzes. Dies kann gegebenenfalls unter Erwärmung des Halbzeugs oberhalb einer spezifischen Temperatur, bei welcher die Vernetzung aktiviert wird, erfolgen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich demzufolge durch zwei unabhängige Umformschritte aus, welche mit zwei unabhängig voneinander ablaufenden chemischen Reaktionsschritte einhergehen. Der erste Schritt umfasst das Imprägnieren und Vorformen des Faserverbundes in ein Halbzeug und damit gekoppelt ein rasches Abkühlen des Halbzeuges. Dadurch wird die bereits ablaufende Vernetzung des duroplastischen Harzes abrupt gestoppt. Dieser Prozess wird im Allgemeinen auch als "B-Staging" bezeichnet.

Das dann quasi in einem vorvernetzten Zustand vorliegende Halbzeug zeichnet sich durch eine gute Eigensteifigkeit aus und kann folglich über längere Zeit bei Raumtemperatur gela gert werden. Da das Halbzeug auch nicht klebt, ist eine leichte Handhabung möglich.

In dem zweiten unabhängigen Schritt wird das Halbzeug (bzw. gleichzeitig mehrere Halbzeuge) in einem separaten Werkzeug in die abschließende Gestalt des Strukturbauteils umgeformt, wobei eine Erwärmung oberhalb einer spezifischen Temperatur während des Umformens erfolgt, sodass die abschließende Vernetzung des duroplastischen Harzes und damit dessen Aushärten in die abschließende Geometrie bewerkstelligt werden kann.

Es wird deutlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Taktzeiten bzw. Werkzeugbelegungszeiten für die Herstellung von solchen komplexen Bauteilen erheblich reduziert werden können.

Das sogenannte "B-Staging" erlaubt die Herstellung von Halbzeugen mit einem hohen Fasergehalt, wobei die Strukturierung Faserverstärkung "in-line" mit dem Imprägnieren und Konsolidieren hergestellt werden kann, sodass ein hoher Verstärkungsgrad der Halbzeuge möglich ist, was die Einsatzmöglichkeiten von FVK im Kfz-Leichtbau effektiv erhöht. Darüber hinaus werden durch den ersten Schritt Halbzeuge mit einer geringen Porendichte hergestellt, sodass eine hohe Bauteilqualität insgesamt realisiert werden kann. Damit einhergehend ist eine bessere Kontrolle hinsichtlich der Orientierung bzw. Struktur der Faserverstärkung.

Die Faserverstärkung lässt sich dabei beispielsweise durch herkömmliche UD-Faserstränge, ein Fasergewebe oder ein Fasergeflecht bewerkstelligen, wobei letzteres aufgrund der guten Formbarkeit bevorzugt wird.

Der Schritt des Vorformens kann beispielsweise das Tiefstrangziehen (Pultrusion), das Kalandern oder das Doppelbandpressen beinhalten. Damit lassen sich einerseits flache Profile oder Profile mit komplexen Querschnitten, wie beispielsweise Y-, T- oder H-förmige Querschnitte, oder andererseits Hohlprofile zur anschließenden Herstellung von Hohlkörpern, beispielsweise durch das Innenhochdruckumformen, realisieren.

Im zweiten Schritt des Umformens auf die abschließende Gestalt findet das Tiefziehen, Pressen oder Innenhochdruckumformen oder beliebige Kombinationen dieser Verfahren Anwendung. Das Aushärten infolge Erwärmung oberhalb einer spezifischen Temperatur während des Umformens kann gemäß der Erfindung entweder durch Erwärmung des Umformwerkzeuges erfolgen oder durch den Einsatz von UV-Strahlung oder Mikrowellen-Strahlung bewerkstelligt werden.

Durch das anschließende Umformen können Faserwelligkeiten dadurch vermindert werden, dass die Halbzeugprofile separat, gegebenenfalls vorgekrümmt in das Umformwerkzeug eingelegt werden und bei Einlegen mehrerer Profile eine relative Verschiebbarkeit der Profile untereinander zugelassen wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung beinhaltet der Schritt des abschließenden Umformens das Einlegen von zumindest zwei Halbzeugen in das Umformwerkzeug und das Fügen der zumindest zwei Halbzeuge während des Umformens zu einem Bauteil. Hierbei lassen sich einerseits komplexe Geometrien mit stark gekrümmtem Verlauf unter Verhinderung von Faserwelligkeiten realisieren. Andererseits entfällt ein zusätzlicher Fügeschritt nach dem Umformen, wodurch die Taktzeit weiter reduziert wird. Durch die Kombination der bereits benannten Verfahren des zweiten Schrittes kann auch eine Kombination von hohlen und flächigen Bauteilabschnitten in einem Bauteil realisiert werden.

Das Fügen erfolgt dabei entweder durch die dem Harz immanente Adhäsion direkt zwischen den zwei Halbzeugen, die dann aneinander haften und miteinander aushärten, oder es wird ein zusätzlicher Haftvermittler oder Klebstoff zwischen den beiden Halbzeugen eingebracht, um das Haften aneinander in entsprechender Weise zu unterstützen.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird als Harz ein sogenanntes Hybridharz eingesetzt, das auf der Basis von mindestens zwei, in der Regel unabhängigen Reaktionssystemen besteht. Die Reaktionssystem können beispielsweise auf Polyurethan- und Venylesterbasis ausgestaltet sein. Das zweite Reaktionssystem kann jedoch auch in Form eines sogenannten Beschleunigers oder Katalysators des ersten Reaktionssystems ausgestaltet sein, durch den eine Steuerung der Reaktion erfolgen kann.

Hierbei wird während oder nach dem Vorformen durch den Ablauf des ersten Reaktionssystems eine erste Vernetzung durchgeführt. Diese Vernetzung führt zu einer gewissen Festigkeit und Handhabbarkeit des Halbzeuges. Durch gezielte Auswahl des ersten Reaktionssystems kann hierbei beispielsweise auf den optionalen Verfahrensschritt des Abkühlens verzichtet werden, um die Vernetzung zu unterbrechen. Die Abschließende Vernetzung erfolgt dann während des oder nach dem abschließenden Umformens durch die Vernetzung des zweiten Reaktionssystems. Hierzu kann das Halbzeug/Bauteil gegebenenfalls auf eine Reaktionstemperatur erwärmt werden. Andererseits kann das zweite Reaktionssystem auch durch andere gebräuchlich Aktivierungsmaßnahmen aktiviert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit komplexer Geometrie aus Faserverbundkunststoffen, die die Schritte aufweisen: – Imprägnieren einer Faserstruktur mit einem duroplastischen Harz unter Ausbildung eines Faserverbundes; – Vorformen des Faserverbundes in ein Halbzeug – wobei eine Vernetzung des Harzes unterbrochen wird; – Umformen des Halbzeugs in eine abschließende Gestalt und eine abschließende Vernetzung des Harzes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Faserverbund während des Vorformens unter eine spezifische Temperatur, bei welcher eine Vernetzung des Harzes gestoppt wird, abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Umformen des Halbzeuges oberhalb einer spezifischen Temperatur erfolgt, bei welcher eine abschließende Vernetzung des Harzes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur aus UD-Fasersträngen, einem Fasergewebe oder einem Fasergeflecht gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorformens durch Tiefstrangziehen (Pultrusion), Kalandern oder Pressen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Umformens durch Tiefziehen, Pressen oder Innenhochdruckumformen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Umformens weiter aufweist: – Einlegen von zumindest zwei Halbzeugen in ein Werkzeug; und – Fügen der zumindest zwei Halbzeuge während des Umformens zu einem Bauteil.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen ausschließlich durch die Adhäsion des Harzes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen durch Einsatz eines Haftvermittlers oder Klebstoffes unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen beim Umformen mittels UV- oder Mikrowellen-Strahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Harz ein Hybridharz ist und mindestens zwei Reaktionssystemen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass die Vernetzung des Harzes während oder nach dem Vorformen des Halbzeuges nach Vernetzung eines ersten Reaktionssystems unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet dass die abschließende Vernetzung des Harzes durch Vernetzung eines zweiten Reaktionssystems erfolgt.