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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein geformtes Faserbauelement (fiber panel) und ein Verfahren zum Formen desselben.
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DE 39 12 647 A1 offenbart ein Polyester-Laminat mit einer ersten und einer zweiten Außenschicht, einer Zwischenschicht zwischen den beiden Außenschichten und Schutz- und Trägerfolien auf den äußeren Oberflächen der beiden Außenschichten. Die Außenschichten und die Zwischenschicht enthalten Harz, Füllstoffe, Initiatoren und Eindicker. Bei der Zwischenschicht sind zusätzlich Verstärkungseinlagen vorgesehen. Die zweite Außenschicht enthält zusätzlich noch Mikrohohlglaskugeln, während die erste Außenschicht frei von Mikrohohlglaskugeln ist.
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Aus
DE 196 42 983 C2 ist ein Schichtkörper mit einem Substrat, das wenigstens eine Faserschicht enthält, und mit einer daran anschließenden Deckschicht bekannt, die metallische Fasern und/oder Fäden enthält. In der Deckschicht sind mit den metallischen Fasern und/oder Fäden stoffschlüssig verbundene, metallische Partikel eingelagert, um die Abriebsbeständigkeit der Oberfläche zu verbessern.
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DE 30 00 216 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils hoher Oberflächengüte. Als Formteil wird eine Glasform mit einer geschliffenen, polierten oder ähnlich glatt bearbeiteten Oberfläche verwendet. Die Oberfläche des Glasform wird mit einer von dieser lösbaren, geschlossenen Trennschicht gleichmäßig dünn überzogen. Anschließend wird auf die Trennschicht der Faserverbundwerkstoff im ungehärteten Zustand aufgetragen. Nach dem Aushärten wird das Faserverbundbauteil von der Glasform getrennt.
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Flüssig geformte Strukturverbundwerkstoffe sind wegen einer als Faserhervorscheinen bezeichneten Beschaffenheit des Oberflächenerscheinungsbildes, welche auf einer Harzschrumpfung während des Aushärtens und Abkühlens der geformten Teile beruht, für Anwendungen von kosmetischen Kraftfahrzeugbauelementen in einem begrenzten Ausmaß verwendet worden. Um die Harzschrumpfung zu vermindern, wurden Verfahren wie ein Einbringen von Füllstoffen und Low-Profile-Additiven (low profile additives) und ein Auswählen von Harzen mit niedriger Aushärteschrumpfung und niedriger Aushärtetemperatur sämtlich vorgeschlagen. Diese Verfahren reduzieren jedoch aufgrund gewisser praktischer Beschränkungen das Faserhervorscheinen nicht auf ein akzeptables Maß. Im Ergebnis wurden zusätzliche Verfahren entwickelt, welche eine harzreiche Oberflächenschicht zum Verdecken des Faserhervorscheinens verwenden. Ein derartiges Verfahren verwendet ein Oberflächenvlies (surfacing veil), welches vor dem Formen des Bauteils oben auf dem Faservorformling aufgebracht wird. Dieses Verfahren besitzt jedoch eine begrenzte Erfolgsquote, welche dessen Leistungsfähigkeit für Bauteile bei Verwendung von hochpreisigen kleinen Zugfasern bei relativ kleinen Faservolumenanteilen geschuldet ist. Andere Verfahren bringen mittels eines Handauftrags-, Pinsel- oder Sprühverfahrens zunächst einen Harzfilm im B-Zustand oder eine Harzgelbeschichtung auf die Werkzeugoberfläche auf. Der Faservorformling wird dann zur Harzinfiltration und zum Aushärten in das Formwerkzeug geladen. Die Zykluszeit für ein Formen mit Harzfilmen oder Gelbeschichtungen liegt allgemein in der Größenordnung von Stunden, weshalb diese Verfahren lediglich für Produktionsvolumen unter ein paar hundert Bauteilen pro Jahr wirtschaftlich durchführbar sind.
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Um das Faserhervorscheinen weiter zu minimieren, wurden Versuche unternommen, die Sichtoberflächen der Bauteile während des gesamten Formzyklus in engem Kontakt mit den Formwerkzeugoberflächen zu halten. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens ordnet ein Stück einer Gummibahn zwischen der Rückseite des Bauteils und der Werkzeugoberfläche an, welches durch den Formungsdruck komprimiert wird, wenn das Werkzeug zum ersten Mal geschlossen und unter Druck gesetzt wird. Der Aushärtephase folgend dehnt sich das komprimierte Gummi in den durch die schrumpfenden Harze geschaffenen freien Raum aus, wodurch das Bauteil dem Formraumdruck konstant ausgesetzt wird. Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der begrenzten Härte und Konsistenz des Gummis typischerweise ebenfalls nur für eine Produktion mit geringem Volumen durchführbar, und die Gegenwart der Gummibahn beeinflusst auch den Wärmefluss von der Presse zur Rückseite des Bauteils, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und einer längeren Zykluszeit führt.
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Dementsprechend besteht ein Bedürfnis auf dem Gebiet der geformten Faserbauelemente und der Verfahren zum Formen derselben, welches diese Nachteile überwindet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Faserbauelement gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Ausführungsformen der Erfindung offenbaren ein geformtes Faserbauelement, welches ein faseriges Material mit einem Kern und einer äußeren Oberfläche, ein an dem Kern angeordnetes Füllstoffmaterial mit relativ geringer Dichte und ein an der äußeren Oberfläche angeordnetes Füllstoffmaterial mit relativ hoher Dichte aufweist. Die äußere Oberfläche weist einen Rauhigkeitsmittelwert der roh geformten (as-molded) Oberfläche von gleich oder kleiner als ungefähr 2 μm auf.
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Andere Ausführungsformen der Erfindung offenbaren ein Verfahren zum Formen eines Faserbauelements. Ein erstes Füllstoffmaterial wird einem Fasermaterial zugeführt, um ein imprägniertes Fasermaterial zu erzeugen. Das imprägnierte Material wird vorgeformt und teilweise ausgehärtet, um einen gelierten Faservorformling zu erzeugen. Der Vorformling wird geformt, und ein zweites Füllmaterial wird zugeführt, um einen geformten Formling zu erzeugen. Der geformte Formling wird ausgehärtet, um ein roh geformtes Bauelement zu erzeugen. Das Verfahren erzeugt ein roh geformtes Bauelement, welches eine äußere Oberfläche mit einem Rauhigkeitsmittelwert der roh geformten Oberfläche von gleich oder weniger als 2 μm aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Mit Bezug auf die beispielhaften Zeichnungen, in denen gleiche Elemente in gleicher Weise in den beiliegenden Figuren nummeriert sind:
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1 stellt ein beispielhaftes Verfahren in Blockdiagrammform gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar;
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2 stellt ein beispielhaftes Fasermaterial zur Verwendung bei Ausführungsformen der Erfindung dar;
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3 stellt eine Schnittansicht des Fasermaterials von 2 dar; und
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4 und 5 stellen gestalterische Wiedergaben von optischen Hervorscheinungen von Oberflächenkonturen zur Verwendung beim Untersuchen von Ausführungsformen der Erfindung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zum Vermindern des Faserhervorscheinens an flüssig geformten Strukturverbundwerkstoffoberflächen bereit, das für Kraftfahrzeugbauelemente wie auch für andere Bauteile verwendet werden kann, die ein kosmetisch ansprechendes Erscheinungsbild verlangen. Indem eine harzimprägnierte Fasermatte vorgeformt und nur teilweise ausgehärtet wird, kann der teilweise ausgehärtete Vorformling dann mit einem Oberflächenharz geformt und vollständig ausgehärtet werden, um das endgültige Bauteil (Bauelement) zu formen, welches ein vermindertes Faserhervorscheinen aufweist. Während hier beschriebene Ausführungsformen Glas als eine beispielhafte Fasermatte darstellen, versteht es sich, dass die offenbarte Erfindung auch auf andere Fasermattenmaterialien, wie beispielsweise Baumwolle, Polyester, Kohlenstoff oder andere geeignete Materialien, anwendbar ist.
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1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 100 zum Formen eines Faserbauelements, das als ein Kraftfahrzeugbauelement verwendet werden kann, welches eine kosmetisch ansprechende äußere Oberfläche wünscht. Bei 105 wird ein erstes Füllstoffmaterial 110 einem Fasermaterial 115 zugeführt, welches einen Kern 120 und eine äußere Oberfläche 125 aufweist, wodurch ein imprägniertes Fasermaterial 130 erzeugt wird. Bei 135 wird das imprägnierte Fasermaterial 130 durch das Werkzeug 140 ausgeformt und teilweise ausgehärtet, um einen gelierten Faservorformling 150 zu erzeugen. Bei 145 und 155 wird der Vorformling 150 in ein Werkzeug 160 transferiert. Bei 170 wird das Werkzeug 160 geschlossen, und ein zweites Füllstoffmaterial 175 wird zugeführt, um mittels eines Injektionsformens oder anderer geeigneter Mittel einen geformten Formling 165 und einen oberflächengeformten Formling 180 zu erzeugen. Bei 185 wird der oberflächengeformte Formling 180 in dem Werkzeug 160 ausgehärtet, wodurch ein roh geformtes Bauelement 190 erzeugt wird, das bei 195 entformt wird. Bei einer Ausführungsform weist das roh geformte Bauelement 190 eine äußere Oberfläche 125 mit einem Rauigkeitsmittelwert der Oberfläche von gleich oder weniger als ungefähr 2 μm auf, wie durch ein Wyko NT 3300 Optisches System zur dreidimensionalen Profilerstellung (erhältlich von dem Hersteller Veeco Instruments, Inc.) gemessen werden kann. Der Ausdruck roh geformtes Bauelement, wie er hier verwendet wird, meint ein Bauelement, wie es während des Entformens 195 ohne jegliches sekundäres Bearbeiten, Absanden, Polieren oder Hinzufügen von weiteren Füllstoffen aus dem Werkzeug 160 erhalten wird. Bei einer anderen Ausführungsform weist das roh geformte Bauelement 190 eine äußere Oberfläche 125 mit einem Rauhigkeitsmittelwert (Ra) der Oberfläche von gleich oder weniger als ungefähr 1 μm auf.
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Bei einer zu einem Ra der roh geformten Oberfläche von ungefähr 0,8 μm führenden ersten beispielhaften Ausführungsform war das Fasermaterial eine dreilagige Anordnung von Glasgewebe vom Typ Rovcloth 2454 (erhältlich von dem Hersteller Fiber Glass Industries), welches ein Oberflächenvlies vom Typ F2/30 (erhältlich von dem Hersteller Owens Corning) aufwies, das erste Füllstoffmaterial 110 war ein Vinylesterharz (Arotech Q6055, erhältlich von Ashland Specialty Chemical) mit ungefähr 15 Gewichts-% Low-Profile-Additiven (LPA) (Epoxalloy 2110, erhältlich von Ashland Specialty Chemical) und ungefähr 60 Gewichts-% Kalziumkarbonat (CaCO3) (Camel-Fil, erhältlich von dem Hersteller Imerys), und das zweite Füllstoffmaterial 175 war ein Vinylesterharz mit ungefähr 0 Gewichts-% LPA und ungefähr 60 Gewichts-% CaCO3. Das Vorformen 135 wurde in dem Werkzeug 140 bei Raumtemperatur (ungefähr 20 Grad Celsius, °C) bei ungefähr 2,4 MPa (Megapascal) für ungefähr 40 Minuten durchgeführt, und das Formen 170 und das Aushärten 185 wurden bei ungefähr 70°C bei einem konstanten Druck von ungefähr 0,7 MPa für ungefähr 20 Minuten durchgeführt.
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Während beispielhafte Ausführungsformen unter Verwendung eines speziellen Fasermaterials und spezieller Harzzusammensetzungen beschrieben werden können, ist die offenbarte Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise war bei einer zweiten beispielhaften Ausführungsform, welche zu einem Ra der roh geformten Oberfläche von ungefähr 0,9 μm führte, das Fasermaterial 115 eine dreilagige Anordnung von Glasgewebe vom Typ 2454 ohne ein Oberflächenvlies, das erste Füllstoffmaterial war ein Vinylesterharz mit ungefähr 10 Gewichts-% LPA und ungefähr 60 Gewichts-% CaCO3, und das zweite Füllstoffmaterial war ein Vinylesterharz mit ungefähr 10 Gewichts-% LPA und ungefähr 60 Gewichts-% CaCO3. Bei einer dritten beispielhaften Ausführungsform, welche zu einem Ra der roh geformten Oberfläche von ungefähr 2 μm führte, war das Fasermaterial 115 eine dreilagige Anordnung von Glasgewebe vom Typ 2454 ohne ein Oberflächenvlies, das erste Füllstoffmaterial war ein Vinylesterharz mit ungefähr 0 Gewichts-% LPA und ungefähr 60 Gewichts-% CaCO3, und das zweite Füllstoffmaterial war ein Vinylesterharz mit ungefähr 0 Gewichts-% LPA und ungefähr 30 Gewichts-% CaCO3.
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Während die Verwendung von Harzen mit Low-Profile-Additiven (LPAs) bei einem Bestreben, das Oberflächenprofil eines roh geformten Bauelements zu verringern, bekannt sein mag, demonstriert die vorstehend genannte erste beispielhafte Ausführungsform, dass bei Verwendung eines zweiten Füllstoffmaterials 175 mit ungefähr 0 Gewichts-% LPA ein Ra der Oberfläche von gleich oder weniger als ungefähr 1 μm möglich ist. Insbesondere können Ausführungsformen der Erfindung Füllstoffmaterialien 110 und 175 verwenden, die sich unterscheiden. Durch die Verwendung eines Füllstoffmaterials 110 mit einer relativ gesehen geringeren Dichte als das Füllstoffmaterial 175 kann ein Bauelement mit einer leichtgewichtigeren Erscheinung erzeugt werden. Während Versuche unternommen wurden, ein Bauelement mit leichtgewichtiger Erscheinung z. B. durch Verwendung von Blasenfüllstoffen zu erzeugen, haben derartige Versuche zu einem begrenzten Erfolg geführt, da die Anwesenheit von Blasenfüllstoffen auf der Bauelementoberfläche die Oberflächenqualität des roh hergestellten Bauelements erheblich vermindern kann. Andere Vorteile der Verwendung von unterschiedlichen Materialien als Füllstoffe 110 und 175 betreffen die zusätzliche Freiheit, die Viskosität und die Aushärtekinetik des Füllstoffmaterials auf eine bessere Anpassung und/oder Steuerung der Bauelementformbarkeit und der Prozesszykluszeit zuzuschneiden. Wie die vorstehend genannten beispielhaften Ausführungsformen gezeigt haben, können die ersten und zweiten Füllstoffmaterialien 110, 175 unterschiedlich sein, wodurch ermöglicht wird, dass das erste Füllstoffmaterial 110 eine relativ gesehen geringere Dichte als das zweite Füllstoffmaterial 175 aufweist. Das heißt, das erste Füllstoffmaterial 110 kann ein Material mit relativ geringer Dichte und das zweite Füllstoffmaterial ein Material mit relativ hoher Dichte in Bezug aufeinander sein. Demnach ist bei einer Ausführungsform, bei welcher erste und zweite Füllstoffmaterialien 110, 175 mit unterschiedlichen Dichten verwendet wurden, beobachtet worden, dass das resultierende roh geformte Bauelement 190 eine von dem Kern 120 zu der äußeren Oberfläche 125 veränderliche Dichte aufweist, wobei die äußere Oberfläche 125 von größerer Dichte ist, was zu einem leichtgewichtigen Bauteil führt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das erste Füllstoffmaterial 110 ein aus Glas- oder Keramikmikrokugeln oder allgemein aus Mikropartikeln hergestelltes Blasenfüllstoffmaterial umfassen, welches anschließend durch die Einführung des Füllstoffmaterials 175 maskiert werden kann.
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Bei alternativen beispielhaften Ausführungsformen kann das Fasermaterial 115 aus kontinuierlichen Glasfasern, nicht kontinuierlichen Glasfasern, zufälligen Glasfasern oder einem Glasgewebe zusammengesetzt sein. Mit Bezug nun auf 2 und 3 ist ein Glasfasergewebematerial 115 dargestellt, welches ein Webmuster mit einer Webperiodizität P von gleich oder kleiner als ungefähr 5 mm aufweist. 3 stellt einen Querschnitt durch das Gewebe von 2 dar. Durch das Einsetzen von beispielhaften Ausführungsformen der hier offenbarten Erfindung ist gezeigt worden, dass ein resultierendes roh geformtes Bauelement 190 eine äußere Oberfläche 125 aufweisen kann, die frei von einer sichtbaren Webperiodizität P ist, was mit Bezug nun auf 4 und 5 erkannt werden kann. Beide Ausführungsformen von 4 und 5 wurden mit drei Lagen von Glasgewebe vom Typ 2454 geformt. 4 und 5 repräsentieren beide eine gestalterische Wiedergabe einer Oberflächenkontur von einem originalen Farbdiagramm eines roh geformten Bauelements 190, wobei durchgehende Linien 200 ”Berg”-Inseln und gestrichelte Linien 205 ”Tal”-Inseln an der äußeren Oberfläche 125 des jeweiligen Bauelements 190 veranschaulichen. 4 veranschaulicht die Oberflächenkonturen eines roh geformten Bauelements, bei dem die Ausführungsformen der Erfindung nicht eingesetzt wurden, und 5 veranschaulicht die Oberflächenkonturen eines roh geformten Bauelements 190, bei dem die Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt wurden. Zu Demonstrationszwecken ist 4 mit Bergen und Tälern im Bereich von +33 bis –63 μm (ein Ra der Oberfläche von ungefähr 7 μm) dargestellt, und 5 ist mit Bergen und Tälern im Bereich von +4 bis –4 μm (ein Ra der Oberfläche von ungefähr 0,8 μm) dargestellt, was eine erheblich glattere Oberfläche bei den Bauelementen 190 anzeigt, bei denen Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt sind. Wie zu erkennen ist, weisen die in 4 veranschaulichten Berge 200 und Täler 205 eine Webperiodizität P auf, während die in 5 veranschaulichten Berge 200 und Täler 205 frei von einer Webperiodizität P sind und ein im Wesentlichen zufälliges Erscheinungsbild aufweisen. Die in 4 und 5 veranschaulichten Oberflächenkonturen wurden unter Verwendung des vorstehend genannten Wyko NT3300 Optischen Systems zur dreidimensionalen Profilerstellung erzeugt.
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Der Rauigkeitsmittelwert (Ra) der Oberfläche und die Webperiodizität P auf der äußeren Oberfläche des roh geformten Bauelements 190 sind Indikatoren für das auf der äußeren Oberfläche 125 vorliegende Faserhervorscheinen. Demnach kann das Faserhervorscheinen an der äußeren Oberfläche 125 des roh geformten Bauelements 190 durch Anwenden der Ausführungsformen der Erfindung vermindert werden.
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Das Verfahren 100, welches Arbeitsvorgänge des Zuführens 105, des Vorformens und des teilweisen Aushärtens 135, des Transferierens 145, 155, des Formens 170, des Aushärtens 185 und des Entformens 195 umfasst, definiert insgesamt eine Formungszykluszeit, und es wird erwartet, dass diese Formungszykluszeit durch ein Anwenden der Ausführungsformen der Erfindung gleich oder wesentlich weniger als ungefähr eine Stunde betragen kann, insbesondere wenn der Arbeitsvorgang des teilweisen Aushärtens 135 bei einer über die Raumtemperatur angehobenen Temperatur durchgeführt wird. Es wird ferner erwartet, dass die Zykluszeit durch Beeinflussen der Temperatur und der Aushärtekinetik auf 10 bis 15 Minuten verkürzt werden kann. Wenn das Verfahren 100 sequentiell ist, besteht bei den Schritten des Vorformens 135, des Formens 170 und des Aushärtens 185 die Freiheit, die Temperatur und die Aushärtekinetik anzupassen, wodurch eine Reduzierung der Formungszykluszeit ermöglicht wird.
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Es wird erwartet, dass durch die Anwendung einer Ausführungsform des Verfahrens 100 ein geformtes Faserbauelement 190 entstehen wird, das ein faseriges Material 115 mit einem Kern 120 und einer äußeren Oberfläche 125, ein an dem Kern 120 angeordnetes Füllstoffmaterial 110 mit einer relativ geringen Dichte und ein an der äußeren Oberfläche 125 angeordnetes Füllstoffmaterial 175 mit einer relativ hohen Dichte aufweist, wobei die äußere Oberfläche 125 einen Rauigkeitsmittelwert (Ra) der roh geformten Oberfläche von gleich oder weniger als ungefähr 2 μm bei einer Ausführungsform und von gleich oder weniger als ungefähr 1 μm bei einer anderen Ausführungsform aufweist. Wie vorstehend besprochen, kann das faserige Material 115 kontinuierliche Glasfasern, nicht kontinuierliche Glasfasern, zufällige Glasfasern oder ein Glasgewebe umfassen, kann das Füllstoffmaterial 110 mit relativ geringer Dichte ein aus Glas- oder Keramikmikropartikeln hergestellten Blasenfüllstoffmaterial umfassen und kann das Füllstoffmaterial 175 mit relativ hoher Dichte ein Low-Profile-Additiv mit einem Anteil von gleich oder weniger als ungefähr 15 Gewichts-% bei einer Ausführungsform und gleich oder weniger als ungefähr 10 Gewichts-% bei einer anderen Ausführungsform umfassen.
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Während Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, bei denen bestimmte Formungsprozessparameter, wie z. B. Temperatur und Druck, eingesetzt werden, versteht es sich, dass nützliche Formungsprozessparameter in Abhängigkeit von der Wahl des Harzes und der Größe des gewünschten Bauelements variieren können, und dass der Rahmen der Erfindung nicht nur auf die hier offenbarten Formungsprozessparameter beschränkt ist.
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Wie offenbart, können einige Ausführungsformen der Erfindung einige der folgenden Vorteile aufweisen: ein leichtgewichtiges Bauelement mit einem Kern mit einer relativ geringen Dichte und einer Oberfläche mit einer relativ hohen Dichte; ein roh geformtes Bauelement mit einem Rauigkeitsmittelwert (Ra) der äußeren Oberfläche von gleich oder kleiner als ungefähr 1 μm; ein für eine Verwendung als ein kosmetisches Kraftfahrzeugbauelement geeignetes roh geformtes Bauelement; ein für eine Verwendung als ein Kraftfahrzeugverbundwerkstoffbauelement der Klasse A geeignetes roh geformtes Bauelement; die Verfügbarkeit eines Flüssigformungsprozesses mit einer Formungszykluszeit von gleich oder erheblich weniger als ungefähr eine Stunde; ein Bauelementformungsprozess ohne die Notwendigkeit eines sekundären Oberflächenfinishings; und reduzierte Oberflächenfehler durch eine Reduzierung der Verwendung von Low-Profile-Additiven in dem Oberflächenharz, welche zur Verursachung von Oberflächenfehlern durch die Ausbildung von Mikrohohlräumen neigen.
