DE19913079A1

DE19913079A1 - Bauteil aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19913079A1
Application number: DE1999113079
Authority: DE
Inventors: Reinhard Mehn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-09-28

Abstract

Es sind bereits Bauteile für ein Kraftfahrzeug aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bekannt, die in der Halbschalentechnik hergestellt sind. Bei dieser Herstellungsart ist jedoch der Fügeaufwand der zu verbindenden Halbschalen relativ hoch. Aufgabe der Erfindung ist es, zum einen ein Bauteil aus einem thermoplastischen Faserbundwerkstoff zu schaffen, das einfacher herstellbar ist und zum anderen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß das Bauteil (21) aus einem hochdehnfähigen Schlauch (23) aufgebaut ist, daß der Schlauch (23) als ein Gestrick oder ein Geflecht mit ggf. partieller Gelege- oder/und Gewebeverstärkung hergestellt ist und daß die Verformung des Schlauches (23) auf eine vorgegebene Form durch ein Innendruckverfahren erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem thermoplastischen Faserverbundwerk stoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Es sind bereits Bauteile bekannt, die aus thermoplastischen Faserverbundwerk stoffen hergestellt sind und als Fahrzeug-Bauteile vorgesehen sind. Diese Bauteile werden jedoch in der Regel in der Halbschalentechnik durch Pressen hergestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem thermoplastischen Faserver bundwerkstoff zu schaffen, das einfach herzustellen ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben.

Die Aufgabe zur Schaffung eines Bauteils wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die Aufgabe zur Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Bau teils wird durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.

Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen baut das erfindungsgemäße Bauteil oder Profil im Vergleich zu anderen Werkstoffen relativ leicht. Durch eine entsprechende Faserkombination sind einstellbare mechanische Eigenschaften möglich. Über die Verformbarkeit eines flexiblen Schlauches, der auf textilem Wege aus Verstärkungsfasern, Geflechten, Gestricke usw. hergestellt wird und ggf. partielle Zusatzverstärkungen in Form von Gelegen oder Geweben besitzt, sind Bauteile herstellbar, deren Querschnitt in Richtung der Bauteillängsachse der vorgegebenen Beanspruchung oder Form anpaßbar sind. Ferner sind durch die Verwendung eines im Querschnitt geschlossenen Schlauches in einfacher Weise einteilige Profile herstellbar. Die Verwendung eines thermoplastischen Faserverbundwerkstoffes hat ferner den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Bauteil in einfacher Weise recyclebar ist und aufgrund der thermoplastischen Matrix eine höhere Bauteilduktilität aufweist.

Das erfindungsgemäße Bauteil kann vorteilhafterweise in einem Fahrzeug als Dachreling und/oder als Fensterrahmen und/oder als Überrollbügel und/oder als Spaceframe, bestehend aus Trägern und Knotenelementen, die über eine thermoplastische Fügung miteinander verbunden sind, verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert lediglich ein einziges Werkzeug mit einem einfachen Aufbau. Bei der Herstellung eines Bauteils mit einem geschlosse nen Profil verringert sich der Fügeaufwand. Durch die Anwendung eines Innen druck- und eines Injektionsverfahrens ergeben sich kurze Taktzeiten sowie kon stante mechanische Eigenschaften des Bauteils. Ferner ist durch das erfindungs gemäße Verfahren eine schnelle und sichere Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit thermoplastischem Material gewährleistet.

Nachstehend wird anhand von Zeichnungen beispielshalber eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die sich noch in einem Werkzeug befindet. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Werkzeug und ein darin befindliches Bau teil und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in der Fig. 1 gezeigten Werkzeuges und des darin enthaltenen Bauteils.

Die Fig. 1 zeigt ein mehrteiliges Werkzeug 1, das aus einem in der Fig. 2 gezeig ten Werkzeugoberteil 2, einem Werkzeugunterteil 3 und einem Formschlauch 4 be steht, der sich in einem durch das Werkzeugoberteil 2 und das Werkzeugunterteil 3 gebildeten Hohlraum 5 befindet. Zwischen dem Werkzeugoberteil 2 und dem Werk zeugunterteil 3 ist eine umlaufende Dichtung 6 angeordnet. Sowohl der Form schlauch 4 als auch die Dichtung 6 sind in der gezeigten Ausführungsform aus tem peraturbeständigem und verschleißfestem Silikon hergestellt.

Das Werkzeugoberteil 2 und das Werkzeugunterteil 3 bestehen in der gezeigten Ausführungsform aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung, vor zugsweise aus Aluminium. In einer anderen Ausführungsform kann das Werkzeug 1 auch aus einem anderen Metall, wie beispielsweise Stahl, oder Metallkombinatio nen hergestellt sein. Das Werkzeugoberteil 2 ist lösbar über Vorrichtungen 7 mit dem Werkzeugunterteil verbunden. Die Vorrichtung 7 besteht in der gezeigten Aus führungsform beispielsweise aus Verschlußschrauben, die durch im Werk zeugoberteil 2 ausgebildete Durchgangsöffnungen hindurchführbar sind und mit dem Werkzeugunterteil 3 über jeweils in einer mit einem Innengewinde versehenen Öffnung verschraubbar sind.

An dem Werkzeug 1 sind ferner Leitungen 8 und 9 zum Injizieren des thermoplasti schen Matrixmaterials 10 (z. B. auf Basis von Polyamid-Ausgangsmaterial wasserähnliches, viskoses, reaktives Caprolactam) sowie zum Abführen des überschüssigen thermoplastischen Matrixmateriales 10 sowie zur Entlüftung bei einem Druckaufbau vorgesehen. Ferner sind Leitungen 13 und 14 an dem Werkzeug 1 angeordnet, wobei über die Leitung 13 ein Wärmeträgerfluid 16, beispielsweise ein Öl, in einen Hohlraum 15 des Formschlauches 4 zu- und abführbar ist. Die Leitungen 8, 9; 13, 14 befinden sich in der gezeigten Ausführungsform an den gegenüberliegenden Stirnseiten 11 und 12 des Werkzeu ges 1.

Über die durch ein Ventil 17 verschließbare Leitung 14 kann das Wärmeträgeröl 16 aus dem Werkzeug 1 in der in der Fig. 1 gezeigten geöffneten Stellung des Ventils 17 abgeführt werden. Im geschlossenen Zustand des Ventils 17 ist bei einer Zufuhr des Wärmeträgeröls 16 in den Hohlraum 15 ein Aufbau eines Druckes p im Hohl raum 15 des Formschlauches 4 möglich. Die Temperatur t des Wärmeträgeröls 16 liegt in der Größenordnung 120° ≦ t ≦ 200°, insbesondere beträgt die Temperatur t = ca. 160°C. Der Druck p im Silikonschlauch 4 liegt unter 10 bar.

Zwischen einer Außenwand 18 des Formschlauches 4 und einer Innenwand 19, 20 des Werkzeugoberteils 2 und des Werkzeugunterteils 3 ist ein zu fertigendes Bauteil 21 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist das Bauteil 21 eine geflochtene oder gestrickte Faserstruktur 22 auf. Über die Leitung 9 werden das überschüssige thermoplastische Matrixmaterial 10 und Lufteinschlüsse abgeführt. Das thermoplastische Matrixmaterial 10 weist eine Basis von wasserflüssigem Polyamid-Ausgangsmaterial, sogenanntes Caprolactam, auf. In der textilen Faserstruktur 22 sind Glasfaser und/oder Kohlenstoff-Faser und/oder Aramidfaser enthalten. Die Faserstruktur 22 kann als ein Gestrick und/oder als ein Geflecht ausgebildet sein und ggf. Gelege- oder Gewebeverstärkungen besitzen. Nach der Injektion des thermoplastischen Matrixmateriales 10 in das als Schlauch 23 ausgebildete Bauteil 21 und nach dem Aufbau des erforderlichen Druckes p im Hohlraum 15 des Formschlauches 4 erfolgt die Polymerisation des thermoplastischen Matrixmateriales 10 zu Polyamid durch eine entsprechende Temperaturführung im Werkzeug 1 und im Wärmeträgeröl 16. Nach dem Erkalten des Bauteils 21 wird das Wärmeträgeröl abgesaugt und der Formdruck p reduziert. Dann wird das Werkzeug 1 geöffnet und das fertige Bauteil 21 entnommen.

Durch die Form des Hohlraumes 5 kann ein Bauteil 21 als ein Profil mit einem über seine Längsachse 24 veränderlichen und geschlossenen Querschnitt hergestellt werden. Durch nicht dargestellte Aussparungen in dem Schlauch 23 kann das Bau teil 21 an den dafür vorgesehenen Stellen auch Öffnungen aufweisen.

Claims

1. Bauteil aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff, wobei der Fa serverbundwerkstoff Glasfasern und/oder Kohlenstoff-Fasern und/oder Ara midfasern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (21) aus einem hochdehnfähigen Schlauch (23) aufgebaut ist, daß der Schlauch (23) als ein Gestrick oder ein Geflecht mit ggf. partieller Gelege- oder/und Gewebeverstär kung hergestellt ist und daß die Verformung des Schlauches (23) auf eine vor gegebene Form durch ein Innendruckverfahren erfolgt.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Imprägnierung des Schlauches (23) vorgesehenes thermoplastisches Matrixmaterial (10) als Basis wasserflüssiges Polyamid-Ausgangsmaterial, sogenanntes Capro lactam, hat.

3. Bauteil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (21) als ein Profil ausgebildet ist, das ganz oder teilweise einen ge schlossenen Querschnitt aufweist und daß der Querschnitt des Bauteils (21) in Richtung der Längsachse (24) des Bauteils (21) variabel ausbildbar ist.

4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (21) ein Fahrzeugbauteil ist.

5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (21) eine Dachreling und/oder ein Fensterrahmen und/oder ein Überrollbügel ist.

6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das als Dachreling und/oder als Fensterrahmen ausgebildete Bauteil (21) eine Faserstruktur (22) aufweist, die aus Kohlenstoff-Fasern und aus Glasfa sern besteht und daß das als Überrollbügel ausgebildete Bauteil (21) eine Fa serstruktur (22) aufweist, die aus Kohlenstoff-Fasern und/oder Glasfasern und/oder aus Aramidfasern zusammengesetzt ist.

7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Träger und Knotenelemente eines Space-Frame aus den Bauteilen (21) aufgebaut sind, wobei die Bauteile (21) durch eine thermoplastische Fügung miteinander verbunden sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden An sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Schlauch (23) des Bauteils (21) zwischen einer Innenwand (19, 20) des Hohlraumes (5) des Werkzeuges (1) und einer Außenwand (18) des Formschlauches (4) an geordnet wird, daß nach dem Schließen des Werkzeuges (1) ein Wärmeträge röl (16) mit einer Temperatur t und einem Druck p in den Hohlraum (15) des Formschlauches (4) zugeführt wird, so daß der Schlauch (23) des Bauteils (21) in seine vorgesehene Größe und Gestalt verformt wird, daß in die Faser struktur (22) des Schlauches (23) ein thermoplastisches Matrixmaterial (10) injiziert wird, daß nach der vollständigen Benetzung der Faserstruktur (22) des Schlauches (23) eine Polymerisation des thermoplastischen Matrixmateriales (10) zu Polyamid durch eine entsprechende Temperaturführung des Werk zeuges (1) und des Wärmeträgerfluids (16) erfolgt, daß nach der vollständigen Polymerisation und der sich daran anschließenden Abkühlung des Bauteils (21) das fertige Bauteil (21) aus dem Werkzeug (1) entnommen wird.