DE19625798A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlprofil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlprofil aus faserverstärktem Kunststoff.

Aus der DE-A 40 42 063 und der EPA 03 69 395 sind faserverstärkte Flächengebilde bekannt, die dreidimensional verformbar und im verformten Zustand durch Aufschmelzen und Abkühlen der in den Flächengebilden vorhandenen thermoplastischen Fasern fixierbar sind. Aus solchem Halbzeug lassen sich verhältnismäßig schnell und mit nur geringem Auf­ wand faserverstärkte Formkörper herstellen, wobei das Halbzeug als Stoffbahn, aus der dann einzelne Rohlinge herausgetrennt werden, ausgebildet sein kann. Aus dem Halbzeug bzw. den Rohlingen lassen sich beispielsweise Ummantelungen für Behälter bilden, die eine Sicherheit gegen Aufplatzen bei gewaltsamer Deformation verleihen sollen.

Aus DE 36 16 791 A, 27 47 910 A und der CH-PS 47 86 50 sind Verfahren bekannt zur Herstellung von Stäben, Stangen oder Rohren aus faserverstärktem Kunststoff. Diese Her­ stellung erfolgt durch Aufziehen eines Schlauches aus Verstärkungsfasern auf einen Kern, Tränken der Verstärkungsfasern mit einem Harz und Aushärten des Harzes.

All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Herstellung von nicht länglichen, verhältnis­ mäßig gleichförmigen Gegenständen, insbesondere solchen mit räumlichen Ecken, die min­ destens einen spitzen Winkel enthalten, verhältnismäßig aufwendig ist und im Prinzip eine Maßschneiderung auf den Kern erfordert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine einfache Fertigung von Bauteilen mit einem Hohlprofil aus faserverstärktem Kunststoff zur Verfügung zu stellen, wobei das Verfahren auch bei verhältnismäßig schwierigen geometrischen Grundkörpern, beispielsweise bei dreieckigen Körpern anwendbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gelöst mit den Maßnah­ men des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Hohlprofil-Körper aus einem textilen Strumpf hergestellt, der aus einem Fasermaterial hergestellt ist, das in dem Strumpf ungleichmäßig verteilt ist. Diese ungleichmäßige Verteilung ist derart gestaltet, daß nach einer Umformung des Strumpfes in die Gestalt des Hohlprofil-Körpers das Fasermaterial entsprechend einem Belastungsprofil des Hohlprofil-Körpers liegt. In dieser Form wird der umgeformte Strumpf konsolidiert, d. h., sein Kunststoffanteil wird zur Bildung einer Matrix aufgeschmolzen und wieder verfestigt. Durch die Verwendung des flächig, ungleichmäßig aufgebauten Strumpfes und das Umformen dieses Strumpfes unter Veränderung der Ungleichverteilung in dem Strumpf wird erreicht, daß der konsolidierte Körper eine derart verteilte Faserverstärkung aufweist, daß diese den bei einer bestimmungsgemäßen Benut­ zung des Körpers in diesem auftretenden Beanspruchungen, verursacht durch mechani­ sche Belastungen, angepaßt ist. Hierdurch wird eine Optimierung der Festigkeit des Kör­ pers erreicht, da dieser in seinen höherbelasteten Bereichen entsprechend verstärkt ist.

Der textile Schlauch (Strumpf) kann als Endlosstück hergestellt sein, von dem dann einzel­ ne Abschnitte abgetrennt werden. Außerdem kann der Schlauch auch an einem oder bei­ den Enden geschlossen sein. Aufgebaut ist der Schlauch vorteilhaft aus thermoplastischen Matrixfasern und vorwiegend als Verstärkung und/oder Versteifung wirkenden Fasern, die miteinander verwebt oder verflochten sein können. D. h., die Matrixfasern und Verstär­ kungsfasern können nebeneinander zu dem Schlauch verarbeitet sein oder aber auch, besonders vorteilhaft, vor der Verarbeitung zu dem Schlauch zu einem sogenannten Hybridgarn verarbeitet sein, aus dem dann der Schlauch ggf. unter Verwendung weiterer Fasern hergestellt wird. Das Halbzeug (Schlauch) ist derart gestaltet, daß durch eine Über­ länge von bei der Verarbeitung nicht schmelzenden Verstärkungsfasern im Vergleich zu den schmelzbaren Matrixfasern die Umformbarkeit, Tiefziehfähigkeit und Drapierbarkeit der thermoplastischen Matrixfasern im Verarbeitungsprozeß nicht signifikant eingeschränkt wird, da im wesentlichen nur die Matrixfasern plastisch verformbar bzw. verstreckbar sind, die Verstärkungsfasern dagegen nur ausgerichtet und gestreckt werden. Die Konfektionie­ rung jeder einzelnen Lage des Halbzeugs erlaubt es, Faseranteile, Fasertiter, Fasermate­ rialien Kette/Schuß-Verhältnisse gezielt örtlich zu variieren. Weiterhin besteht die Möglich­ keit, pulvrige Zusätze sowie Partikel und Kurzfasern in das Halbzeug einzubringen.

Die Herstellung des Bauteils kann ein- oder mehrlagig erfolgen, wobei bei der Verwendung mehrerer Lagen gezielt weitere Verstärkungen in den Körper eingebracht werden können. Die Konsolidierung des umgeformten Schlauches erfolgt vorteilhaft unter dem Einfluß von Wärme und Druck in einem Werkzeug, wobei die Verstärkungsfasern und/oder die Matrix­ fasern als Roving, Garn oder Zwirn allein und/oder zusammengefaßt bzw. vermischt vorlie­ gen. Zur Kennzeichnung bzw. Beeinflussung von physikalischen Eigenschaften, insbeson­ dere der Duktilität und Zähigkeit können die Fasern in Axialrichtung und/oder in Umfangs­ richtung des Schlauches mit unterschiedlicher flächiger Verteilung eingebracht werden. Zur Umformung des Schlauches vor der Konsolidierung bietet sich insbesondere das Aufziehen bzw. -stauchen auf einen Kern an, der die endgültige Form bestimmt oder das Aufblasen des Schlauches in eine Negativform. Beim ersten Verfahren eignen sich als Kern beispiels­ weise Kunststoffschäume, beim zweiten Verfahren wird in den Schlauch vorteilhaft ein auf­ blasbarer Ballon eingelegt der ggf. auch mit einer Flüssigkeit geweitet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Leichtbau- Lenkern für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise Querlenker, aber auch Schräg-, Längs- oder Stablenker. Bei deren Herstellung wird der Schlauch vorzugsweise derart in dem Werkzeug positioniert, daß in dem Bereich zwischen dem/den äußeren und dem/den innenliegenden Führungsgelenk/en und Lagern die zur Verstärkung und/oder Versteifung eingebrachten Fasern beanspruchungsgerecht verlaufen, z. B. vorwiegend gestreckt in Längsrichtung des Lenkers (Fahrzeugquerrichtung bei Querlenkern) und im Bereich der Gelenk-/Lagerstellen diese in Umfangsrichtung umschließen. Hierzu werden (wie auch bei anderen Körpern) bei der Vorkonfektionierung des Halbzeugs eine auf die Geometrie und das Anforderungsprofil des Fertigteils abgestimmte, vorzugsweise örtlich verschiedene Fasermaterialien zur Ver­ stärkung/als Matrix eingesetzt, wobei Fasertiter und/oder Kette-Schuß-Anteile variiert wer­ den können, um so im konsolidierten Bauteil gezielte Faserrichtungswinkel, Faservolumen­ anteile und damit die physikalischen Eigenschaften einzustellen. Es ist unter anderem mög­ lich, Bereiche mit konstanter Wandstärke und lokal veränderlichen Verstärkungsfaservolu­ menanteilen, respektive physikalischen Eigenschaften, ebenso wie Bereiche mit lokal ver­ änderlichen Wandstärken und konstanten Faservolumenanteilen/physikalischen Eigen­ schaften zu realisieren. Bei der Herstellung des Körpers können Aussparungen, Bohrun­ gen, Durchbrüche, z. B. für Montageöffnungen, ohne Durchtrennen von verstärkenden Fasern z. B. durch Aufweiten von Faserabständen mit und ohne Trennung von Matrixfasern beim Einlegen in die Form im nicht konsolidierten Zustand durch eine geeignete Werkzeug­ gestaltung realisiert werden. Durch ein Verschieben der Faserabstände wird hierbei gleich­ zeitig erreicht, daß sich eine dem Kraftfluß angepaßte Verstärkungsfaserorientierung ergibt. Gleichzeitig können mit der Konsolidierung weitere Elemente mit dem Bauteil verbunden werden, wie z. B. Lager.

Als Matrixmaterial eignen sich insbesondere Kunststoffasern, vorzugsweise aus Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polyamid oder auch andere Thermoplaste, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das Verstärkungsfasermaterial. In dem Halbzeug liegt das Matrix­ material derart in fester Form vor, daß ein Kaltumformen, z. B. Drapieren, möglich ist, wobei eine vorhandene Gestaltfestigkeit die Aufnahme von Kräften ermöglicht.

Als Verstärkungsfasern kommen Fasern zum Einsatz, die bei der Verarbeitung des Halb­ zeugs zum Verbundbauteil im wesentlichen nur gestreckt werden und hierbei im wesentli­ chen keine Veränderung ihres Querschnitts erfahren. Als Verstärkungsfasern eignen sich die üblicherweise in Kunststoffverbundbauteilen verwendeten Verstärkungsfasern, die aus organischem oder anorganischem Material sein können. Für organisches Material kommen insbesondere hochfeste Polymere zur Anwendung, wie beispielsweise Polyester, Aramid und ggf. auch andere, vorzugsweise hochschmelzende Kunststoffe wie Polysulfone oder auch Polypropylen. Als anorganische Fasern kommen insbesondere zur Anwendung Glas­ fasern, Kohlenstoffasern (Carbonfasern), Keramikfasern oder auch Metallfasern.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher beschrieben.

Die Figur zeigt die Herstellung eines Querlenkers.

Im ersten Teil der Fig. (links) ist ein Strumpf 1 abgebildet, der in Längsrichtung (oben-unten) und in Querrichtung unterschiedliche Anteile an Verstärkungsfasern 2 aufweist. Die Verstärkungsfasern 2 können hierbei mit unterschiedlichem Abstand zueinander verwebt oder auch verflochten oder gewirkt sein, es können jedoch auch unterschiedliche Fasern (mit beispielsweise unterschiedlichen Anteilen an Verstärkungsfasern) verarbeitet sein. Zur Erzeugung gewünschter physikalischer Eigenschaften im Endprodukt sind in dem Strumpf 1 rechts, links und in seinem oberen Bereich mehr Verstärkungsfasern, d. h. geringere Faser­ abstände, eingearbeitet, als im mittleren und unteren Bereich des Strumpfes.

In einem ersten Verfahrensschritt wird der Strumpf 1 auf einen Kern 3 aufgezogen, z. B. aus einem Kunststoffschaum, der die Form eines Querlenkers für ein Kraftfahrzeug hat. Bei dem Aufziehen des Strumpfes 1 verschieben sich die in Querrichtung verlaufenden Fasern 4 derart, daß in Längsrichtung des Querträgers (oben-unten) eine beanspruchungsgerechte Ausrichtung (in etwa eine Gleichverteilung) der Verstärkungsfasern 4 erzielt wird. Auch die Längsfasern 5 verschieben sich, wobei in diesem Beispiel an einem einzelnen Anlenk­ bereich 6 sich geringere Abstände der Längsfasern 5 einstellen, als an den gegenüberlie­ genden Anlenkbereichen 7; beabsichtigt wird generell eine optimierte Verteilung der Ver­ stärkungsfasern.

Beim Überziehen des Kerns 3 mit dem Strumpf 1 werden außerdem an den Anlenkberei­ chen 6 und 7 Öffnungen 8 durch Verschieben zumindest der Verstärkungsfasern freigehal­ ten, in die bereits vor der Konsolidierung Lager zur Befestigung des Querlenkers eingelegt sein können. Außerdem wird der oben und unten offene Strumpf im Bereich der Anlenk­ bereiche 6 und 7 mit Überlappungen 9 gelegt, so daß die Anlenkbereiche 6 und 7 fest von den Verstärkungsfasern 2 umschlossen sind.

Alternativ können die Bereiche zur Aufnahme der Lager nach der Konsolidierung des Len­ kers als faserverstärkter Spritzguß angeformt werden.

Durch Wärmeeinwirkung vorzugsweise in einer Negativform, werden neben den Verstär­ kungsfasern 2 in dem Strumpf 1 vorliegende (nicht dargestellte) Matrixfasern zur Bildung einer Matrix um die Verstärkungsfasern 2 verflüssigt und anschließen durch Abkühlen wie­ der verfestigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine einfache Herstellung von hochfesten Leicht­ baukomponenten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlprofil aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Fasermaterial hergestellter texti­ ler Schlauch, in dem das Fasermaterial flächig ungleichmäßig verteilt ist, unter Verände­ rung der flächigen Verteilung des Fasermaterials verformt und anschließend konsolidiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Konsolidieren durch Ver­ schmelzen und Abkühlen eines in den Schlauch eingearbeiteten thermoplastischen Kunststoffes erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial Verstärkungsfasern und Matrixfasern umfaßt, von denen mindestens eine, vorzugsweise beide flächig ungleichmäßig verteilt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixfasern und die Ver­ stärkungsfasern in einem Hybridgarn vorliegen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch zum Verformen in einer Negativform aufgeblasen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch zum Verformen über einen die Form bestimmenden Kern gezogen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lenker für ein Kraftfahrzeug hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verformen die Veränderung der flächigen, ungleichmäßigen Verteilung eine be­ anspruchungsspezifische Stärkung bzw. Schwächung von Teilbereichen des Bauteils bewirkt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug einen Dehnungsbereich aufweist, der zur Fertigung komplizierter Geome­ trien verformt wird, wobei im fertigen Bauteil eine belastungsgerechte Ausrichtung der Verstärkungsfasern erreicht wird.