EP2155459A2 - Verfahren zur herstellung eines strukturhohlbauteils aus faserverstärktem kunststoff - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines strukturhohlbauteils aus faserverstärktem kunststoff

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EP2155459A2
EP2155459A2 EP08758436A EP08758436A EP2155459A2 EP 2155459 A2 EP2155459 A2 EP 2155459A2 EP 08758436 A EP08758436 A EP 08758436A EP 08758436 A EP08758436 A EP 08758436A EP 2155459 A2 EP2155459 A2 EP 2155459A2
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EP
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binder
water
partially
filler
plastic
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EP08758436A
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Stefan Schreckenberg
Jens Müller
Bernhard Heim
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Bayerische Motoren Werke AG
Ashland Suedchemie Kernfest GmbH
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Bayerische Motoren Werke AG
Ashland Suedchemie Kernfest GmbH
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    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
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    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C33/52—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor with means for, or specially constructed to facilitate, the removal of articles, e.g. of undercut articles soluble or fusible
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    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
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    • B29C70/443—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding and impregnating by vacuum or injection
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    • B29C70/48—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs and impregnating the reinforcements in the closed mould, e.g. resin transfer moulding [RTM], e.g. by vacuum

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a structural hollow component made of fiber-reinforced plastic according to the preamble of claim 1.
  • At least one layer of e.g. uni- or bidirectionally directed reinforcing fibers placed between the upper and lower tool of a heated press and impregnated the fiber layer with a thermosetting plastic, such as an epoxy resin with hardener, which is injected under pressure into the cavity with the fiber layer between the upper and lower tool.
  • a thermosetting plastic such as an epoxy resin with hardener
  • the vacuum injection process is used in which a vacuum is applied instead of pressure to suck the thermosetting plastic into the fiber layer.
  • WO 02/072328 A1 discloses a support core for producing structural hollow components made of plastic, which contains polyvinylpyrrolinone (PVP) as the water-soluble binder.
  • PVP polyvinylpyrrolinone
  • a braiding system can be used, wherein the support core is in the eye of the braiding system, while the reinforcing threads are removed under high voltage from the periphery.
  • the support core according to WO 02/072328 A1 has too low a breaking strength in order to withstand these high pull-off forces.
  • the object of the invention is therefore to provide a water-dispersible support core for an RTM process for the production of structural hollow components made of fiber-reinforced plastic, which reliably withstands the high withdrawal forces during wrapping with the reinforcing fibers.
  • the support core used according to the invention is characterized in that the water-soluble binder at least partially contains a silicate.
  • a water glass is used as the binder.
  • the binder is characterized in that the SiO 2 / M 2 O weight ratio is preferably in the range from 1.6 to 4.0, in particular from 1.8 to 3.5, where M is sodium and / or potassium and / or or lithium ions.
  • the binder preferably has a solids content of SiO 2 and M 2 O in the range of 30 to 60 wt .-% to.
  • the support core has a relatively small proportion of binder of preferably 0.5 to 8, in particular 1 to 5 wt .-% and thus a correspondingly high proportion of filler.
  • binder preferably 0.5 to 8, in particular 1 to 5 wt .-% and thus a correspondingly high proportion of filler.
  • Carbon fibers are preferably used as reinforcing fibers. However, other reinforcing fibers may be used, for example glass fibers.
  • the packaging is preferably with a braiding performed as used for braiding cables and ropes, wherein the support core occupies the place of the cable core in the eye of the plant.
  • the production of the fiber-reinforced structural hollow component is then preferably carried out by the RTM process. That is, the prefabricated support core is placed between the two tools, so for example the upper and the lower tool of a heated press, whereupon the reinforcing fibers are impregnated on the support core with a thermosetting plastic, such as an epoxy resin in the cavity with the support core between the two tool parts is injected.
  • a thermosetting plastic such as an epoxy resin in the cavity with the support core between the two tool parts is injected.
  • the Re- sign Transfer Molding (RTM) method can be carried out, in which the thermosetting plastic is pressed under a pressure of 10 bar and more in the cavity, or the vacuum injection method in which the thermosetting plastic in the Cavity is sucked. After curing of the resin is removed from the mold and the support core flushed with water, so that the fiber-reinforced structural hollow component is formed.
  • the water glass used may be, for example, a soda water glass. However, other water glasses can be used, in particular potassium water glass or lithium water glass.
  • the binder may contain other alkali metal compounds which may be added in solid form or as an aqueous solution, for example sodium or potassium hydroxide or in dissolved form sodium or potassium hydroxide solution.
  • the modulus (SiO 2 / M 2 O ratio) and the solids content can be controlled.
  • the filler consists of a water-insoluble particulate material, preferably at least partially of sand.
  • the sand preferably has an average particle size of 100 to 500 ⁇ m.
  • the support cores for the method according to the invention are preferably produced with a core shooter, as described, for example, in DE 102 00 927 A1 for the production of cores for foundry purposes.
  • a core shooter as described, for example, in DE 102 00 927 A1 for the production of cores for foundry purposes.
  • the sand content of the filler be at least 30% by weight. % is.
  • the filler preferably contains plastic particles, usually with a mean particle size of 100 microns to 2 mm.
  • the plastic particles are preferably formed from shredded plastic waste. So that the particles are more spherical, plastic granules are preferably used. Due to the spherical shape, the mentioned fluidity of the mixture of filler, dissolved binder and water is increased accordingly.
  • the plastic particles also increase the elasticity of the nozzle core, thus reducing its sputters.
  • the weight of the support cores can be significantly reduced by the use of plastic particles as a filler.
  • the proportion of the plastic in the filler is preferably at least 10% by weight. However, it can also be significantly higher and 50 wt .-% and more. This allows much lighter and therefore better manageable cores can be obtained.
  • a weight reduction of the cores is also achievable with ceramic particles or glass bubbles.
  • the ceramic particles may be formed, for example, by fly ash. Since the fly ash particles are also rather spherical in shape, they also ensure the fluidity required for emptying. Of course, this is even more true for hollow glass spheres as filler.
  • the average particle size of the ceramic particles and the glass bubbles may be, for example, 50 to 800 ⁇ m.
  • the water content of the molding material ie the mixture of filler, binder and water, is preferably from 0.2 to 5 wt .-%, based on the weight of the filler. This ensures the processability of the molding material when it is introduced into the mold, for example by enclosing or pressing in. However, the water content is chosen as low as possible, since the nozzle core must be dried before removal from the mold so that it has the required strength.
  • a preferred molding material consists for example of 0.5 to 5 wt .-%, in particular 1 to 2 wt .-% silicate-containing water-soluble binder, with a SiO 2 / M 2 O ratio preferably in the range of 1.6 to 4, 0, where M Sodium and / or potassium and / or lithium ions, and a solids content of 30 to 60%; and rest sand.
  • any structural hollow components made of fiber-reinforced plastic can be produced by the method according to the invention.
  • the support columns ie the A-, B- and C-pillar, sills and bumpers are to be mentioned as examples of such fiber-reinforced structural hollow components.

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Abstract

Zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff wird ein wasserdispergierbarer Stützkern aus einem wasserlöslichen Bindemittel, das zumindest teilweise aus einem wasserlöslichen silikathaltigen Bindemittel besteht, und einem Füllstoff mit den Verstärkungsfasern umwickelt. Die Fasern auf dem Stützkern werden mit einem härtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und der Stützkern mit Wasser anschließend ausgeschwemmt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile wird u.a. das sogenannte RTM(Resign Transfer Molding) - Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren verwendet.
Dazu wird wenigstens eine Lage der z.B. uni- oder bidirektional gerichteten Verstärkungsfasern zwischen dem Ober- und dem Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt und die Faserlage mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz mit Härter getränkt, der unter Druck in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen Ober- und Unterwerkzeug injiziert wird. Ähnlich wird beim Vakuum- Injektionsverfahren vorgegangen, bei dem anstelle von Druck ein Vakuum angelegt wird, um den wärmehärtbaren Kunststoff in die Faserlage zu saugen.
Für Automobile werden zahlreiche Strukturhohlbauteile verwendet, beispielsweise die Stützsäulen, Schweller, Stoßfänger und dergleichen. Diese Hohlbauteile werden dabei meist geklebt. Die Klebestelle kann jedoch zu einem Versagen führen. Zudem lässt die Masshaltigkeit geklebter Hohlbauteile zu wünschen übrig. Für die Herstellung von Hohlbauteilen im RTM-Verfahren werden üblicherweise heute Schmelzkerne aus Wachs eingesetzt. Die dafür eingesetzten Prozesse sind wegen der Größe der Kerne sehr aufwändig. Weiterhin bedingt der große Wärmeausdehnungskoeffizient des Wachses eine aufwändige Abstimmung der notwenigen Fertigungsmittel . Nach der eigentlichen Bauteilherstellung werden die Materialien wieder ausgeschmolzen. Dabei verbleibt auf der Werkzeuginnenwand ein Restmaterial, was zum einen das Bauteilgewicht erhöht sowie kritisch hinsichtlich Emissionen und Lackverträglichkeit bewertet wird.
Aus WO 02/072328 Al ist ein Stützkern zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus Kunststoff bekannt, der als wasserlösliches Bindemittel Polyvinylpyrrolinon (PVP) enthält.
Zum Umwickeln des Stützkerns kann eine Flechtanlage verwendet werden, wobei sich der Stützkern im Auge der Flechtanlage befindet, während die Verstärkungsfäden unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Der Stützkern nach WO 02/072328 Al besitzt jedoch eine zu geringe Bruchfestigkeit, um diesen hohen Abzugskräften standzuhalten.
Auch sind Stützkerne aus niedrig schmelzenden Wismutlegierungen verwendet worden. Wegen des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen der Kerne, dem hohen Gewicht und der daraus resultierenden schwierigen Handhabbarkeit, aber auch wegen der Gesundheitsgefährdung durch Wismut-Dämpfe, sind diese Kerne in der Praxis jedoch nicht verwendbar.
Ferner werden Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff eingesetzt, die in dem Bauteil verbleiben und damit zu einer entsprechenden Gewichtserhöhung führen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein RTM-Verfahren zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff einen wasserdispergierbaren Stützkern bereitzustellen, der den hohen Abzugskräften beim Umwickeln mit den Verstärkungsfasern sicher standhält.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergeben.
Der erfindungsgemäß verwendete Stützkern zeichnet sich dadurch aus, dass das wasserlösliche Bindemittel zumindest teilweise ein Silikat enthält. Vorzugsweise wird als Bindemittel ein Wasserglas verwendet. Das Bindemittel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Siθ2/M2O-Gewichts- verhältnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0 insbesondere 1,8 bis 3,5 liegt, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet. Das Bindemittel weist vorzugsweise einen Feststoffanteil an Siθ2 und M2O im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% auf.
Der Stützkern weist einen relativ geringen Anteil an Bindemittel von vorzugsweise 0,5 bis 8, insbesondere 1 bis 5 Gew.-% und damit einen entsprechend hohen Füllstoffanteil auf. Dadurch wird eine hohe Festigkeit erzielt, sodass er den hohen Abzugskräften beim Konfektionieren, d. h. Umwickeln, insbesondere Beflechten mit den Verstärkungsfasern standhält .
Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Kohlenstofffasern eingesetzt. Jedoch können auch andere Verstärkungsfasern verwendet werden, beispielsweise Glasfasern. Die Konfektionierung wird vorzugsweise mit einer Flechtanlage durchgeführt, wie sie zum Flechten von Kabeln und Seilen verwendet wird, wobei der Stützkern im Auge der Anlage den Platz der Kabel- bzw. Seilseele einnimmt.
Die Herstellung des faserverstärkten Strukturhohlbauteils erfolgt dann vorzugsweise nach dem RTM-Verfahren. Das heißt, der konfektionierte Stützkern wird zwischen die beiden Werkzeuge, also beispielsweise das Ober- und das Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt, worauf die Verstärkungsfasern auf dem Stützkern mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz imprägniert werden, das in den Hohlraum mit dem Stützkern zwischen den beiden Werkzeugteilen injiziert wird. Dabei kann das Re- sign-Transfer-Molding (RTM) -Verfahren durchgeführt werden, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff unter einem Druck von 10 bar und mehr in den Hohlraum gepresst wird, oder das Vakuum-Injektionsverfahren, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff in den Hohlraum gesaugt wird. Nach dem Aushärten des Harzes wird entformt und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt, sodass das faserverstärkte Strukturhohlbauteil gebildet wird.
Das verwendete Wasserglas kann beispielsweise ein Natronwasserglas sein. Jedoch können auch andere Wassergläser verwendet werden, insbesondere Kaliwasserglas oder auch Lithiumwasserglas .
Neben dem Wasserglas kann das Bindemittel weitere Alkalimetallverbindungen enthalten, die in fester Form oder als wässrige Lösung zugesetzt werden können, beispielsweise Natrium- oder Kaliumhydroxid oder in gelöster Form Natron- bzw. Kalilauge. Über diese Zusätze kann zum Beispiel das Modul (SiO2/M2O-Verhältnis) und der Feststoffanteil gesteuert werden. Der Füllstoff besteht aus einem wasserunlöslichen teilchen- förmigen Material, vorzugsweise zumindest teilweise aus Sand. Der Sand weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 100 bis 500 μm auf.
Der Sand hat neben der Festigkeit, die er dem Stützkern verleiht, auch bei der Herstellung des Stützkerns eine wichtige Funktion. Die Stützkerne für das erfindungsgemäße Verfahren werden nämlich vorzugsweise mit einer Kernschießmaschine hergestellt, wie sie beispielsweise in DE 102 00 927 Al zur Herstellung von Kernen für Gießereizwecke beschrieben ist. Dabei wird ein Gemisch aus Gießereisand, in Wasser gelöstem Magnesiumsulfat als Bindemittel und Wasser in ein Formwerkzeug eingeschossen. Das Wasser wird anschließend verdampft, um den Gießkern zur Herstellung des Gussstückes zu bilden.
Damit das Gemisch aus Füllstoff, Wasser gelöstem Bindemittel und Wasser, das nach der Erfindung vorzugsweise zum Einschiessen verwendet wird, die für das Einschießen in das Formwerkzeug erforderliche Fluidität aufweist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Sandanteil des Füllstoffs mindestens 30 Gew.-% beträgt.
Weiterhin enthält der Füllstoff vorzugsweise Kunststoffteilchen, normalerweise mit einer mittleren Korngröße von 100 μm bis 2 mm. Die Kunststoffteilchen sind vorzugsweise aus zerkleinertem Kunststoffabfallen gebildet. Damit die Teilchen eher kugelförmig ausgebildet sind, wird vorzugsweise Kunststoffgranulat verwendet. Durch die Kugelform wird die erwähnte Fluidität des Gemischs aus Füllstoff, gelöstem Bindemittel und Wasser entsprechend erhöht. Durch die Kunststoffteilchen wird zudem die Elastizität des Stutzkerns erhöht, also seine Sprodigkeit reduziert. Zugleich kann das Gewicht der Stutzkerne durch den Einsatz von Kunststoffteilchen als Füllstoff wesentlich erniedrigt werden. Vorzugsweise betragt der Anteil des Kunststoffs am Füllstoff mindestens 10 Gew.-%. Er kann jedoch auch deutlich hoher liegen und 50 Gew.-% und mehr betragen. Damit können wesentlich leichtere und damit entsprechend besser handhabbare Kerne erhalten werden.
Eine Gewichtsreduzierung der Kerne ist ferner mit Keramikteilchen oder Glashohlkugeln erzielbar. Die Keramikteilchen können beispielsweise durch Flugasche gebildet sein. Da die Flugascheteilchen ebenfalls eher kugelförmig ausgebildet sind, wird mit ihnen zugleich die für das Emschiessen erforderliche Fluiditat sichergestellt. Dies gilt naturlich erst recht für Glashohlkugeln als Füllstoff. Die mittlere Teilchengroße der Keramikteilchen und der Glashohlkugeln kann beispielsweise 50 bis 800 μm betragen.
Der Wasseranteil des Formstoffs, also des Gemisches aus Füllstoff, Bindemittel und Wasser, liegt vorzugsweise bei 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs. Dadurch wird die Verarbeitbarkeit des Formstoffs beim Einbringen in das Formwerkzeug, beispielsweise durch Einschließen oder Einpressen, sichergestellt. Der Wassergehalt wird jedoch möglichst niedrig gewählt, da der Stutzkern vor dem Entformen getrocknet werden muss, damit er die erforderliche Festigkeit besitzt.
Ein bevorzugter Formstoff besteht beispielsweise aus 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2 Gew.-% silikathalti- gem wasserlöslichen Bindemittel, mit einem SiO2/M2O- Verhaltnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet, und einem Feststoffanteil von 30 bis 60 %; und Rest Sand.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Strukturhohlbauteile aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Im Automobilbereich sind insbesondere die Stützsäulen, also die A-, B- und C-Säule, Schweller und Stoßfänger als Beispiele für solche faserverstärkte Strukturhohlbauteile zu nennen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem ein wasser- dispergierbarer Stützkern aus wasserlöslichem Bindemittel und Füllstoff mit den Verstärkungsfasern umwickelt wird, worauf die Fasern auf dem Stützkern mit einem aushärtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus silikatischen Bestandteilen besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus Wasserglas besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Bindemittels 0,5 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 0,8 bis 4 Gew.-% und besonders bevorzugt 1 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs, beträgt .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein SiO2/M2O-Gewichts- verhältnis von 1,6 bis 4,0, insbesondere 1,8 bis 3,5 aufweist, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel einen Feststoffanteil an SiO2 und M2O im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus Natron- und/oder Kali- und/oder Lithiumwasserglas besteht.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel neben dem Wasserglas wenigstens eine weitere Alkalimetallverbindung enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Alkalimetallverbindung eine Natrium- und/oder Kaliumverbindung ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Sand besteht.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Kunststoffteilchen besteht.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramikteilchen besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteilchen bzw. Keramikteilchen kugelförmig ausgebildet sind.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramik oder Glashohlkugeln besteht.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Resign-Transfer- Molding-Verfahren durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es als Vakuum-Injektionsverfahren durchgeführt wird.
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