EP2601029A1 - Geformtes kunststoff-mehrschicht-bauteil mit endlosverstärkten faserlagen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Geformtes kunststoff-mehrschicht-bauteil mit endlosverstärkten faserlagen und verfahren zu dessen herstellung

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EP2601029A1
EP2601029A1 EP11736292.1A EP11736292A EP2601029A1 EP 2601029 A1 EP2601029 A1 EP 2601029A1 EP 11736292 A EP11736292 A EP 11736292A EP 2601029 A1 EP2601029 A1 EP 2601029A1
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EP
European Patent Office
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fiber
plastic
component
layers
separating body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11736292.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Willy Dauner
Frank Hoecker
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/04—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped cellular or porous
    • B29K2105/043—Skinned foam

Definitions

  • Shaped plastic multilayer component with endlessly reinforced fiber layers and
  • the invention relates to a molded plastic multilayer component with endlessly reinforced fiber layers, which has a sandwich structure with a foamed internal structure. Furthermore, the invention relates to two alternative production methods for such plastic multilayer components.
  • thermoset composite systems It is known to manufacture lightweight components that must withstand the use of large mechanical stresses using thermoset composite systems. Furthermore, the design of sandwich components is known in which low-density layers and high-rigidity layers are joined in order to obtain such a high-tensile lightweight component with good mechanical stability values.
  • DE 103 47 598 A1 describes a component, in particular an outer skin component for a vehicle, which is provided with an outer shell made of a plastic with a high surface quality, which is known in the sheet molding compound, or bulk molding compound or RTM technology. Process is prepared. It also has an inside reinforcing structure lying flat against the outer shell, which is delimited by two plastic layers spaced apart from one another. Between these plastic layers, a honeycomb structure or a foam-like material is provided. This component is manufactured in a tool having a die and two replaceable punches.
  • the outer shell is produced using a first stamp, whereupon the reinforcing structure is placed on the outer shell remaining in the tool and the punch is exchanged, so that formed in a second step, the contour of the reinforcing structure and the outer shell with the reinforcing structure can be pressed.
  • DE 10 2008 052 967 A1 discloses a multilayer surface component on a vehicle which has a plastic core part arranged between fibers, wherein the fiber mats are surrounded by covering plastic films and the peripheral edge of the layer structure is pressed at least in sections to the La - gen integral to make largely liquid-tight. By pressing a circumferential edge is created with a smaller thickness than in the rest of the layer structure in which all layers of the surface component, including the core part, are pressed together.
  • An inventive, molded plastic multilayer component with endlessly reinforced fiber layers which has a sandwich construction of an embedded between at least two fiber composite plastic cover layers inner structure of a foam material, has a circumferentially closed around the embedded inner structure edge.
  • This consists of the fiber composite plastic and is formed by having at least one of the fiber layers, between which the inner structure is embedded, with respect to the same a circumferential excess.
  • the over the inner structure projecting fiber layer sections are used to form the peripheral edge.
  • Longitudinal or continuous fibers are used for the fiber layers of the fiber composite plastic cover layers.
  • glass fibers, carbon fibers and / or aramid fibers which are present in combination with a plastic matrix material are suitable.
  • the fiber layers may include rovings, scrims, knits, mats or fabric.
  • the plastic matrix material is preferably formed by a curable resin which forms a thermosetting matrix or by in situ polymerizing thermoplastic matrix material.
  • the long or continuous fibers can be used in particular in the form of fiber arrangements such as rovings, mats, knits, mats, fabrics or the like.
  • the foam material of the inner structure consists of a thermoplastic or thermosetting plastic component, which is formed with or without fiber content.
  • a component can advantageously be produced in a so-called one-step process, wherein only a single mold tool, which has a punch and a die, is required to carry out the manufacturing process.
  • first a first fiber layer is inserted into the mold tool, followed by a separating body and on the separating body is followed by a second fiber layer, wherein one or both of the fiber layers are dimensioned so that they have in relation to the separating body the circumferential excess, from the the later component edge is formed and covers one edge of the separating body circumferentially.
  • the tool After inserting the layers, the tool is closed and the plastic matrix material injected into the fiber layers to form the fiber composite plastic cover layers. Even before their complete curing, or consolidation, a foamable plastic material in a cavity between the curing
  • Fiber composite plastic cover layers exerts and enters into a cohesive connection with it.
  • the cavity into which the foamable plastic material is initiated is formed by the separator, which will thus have a balloon or bag shape.
  • the component thus created also has improved material properties since the formation of the sandwich comprising the composite in the fiber composite plastic cover layers as well as the intermediate foam core is provided during a single primary molding process.
  • plastic multilayer components with endlessly reinforced fiber layers and very good mechanical characteristics can be produced in large numbers, which are used for use in motor vehicle construction, taking into account specifications relating to lightweight construction.
  • Conventional foam core sandwich products of the prior art have heretofore been made in a two step process comprising a prefabricated sandwich core in combination with topsheets. So far, this has led to high costs and long process times.
  • the closed cavity required for injecting the foamable material between thermosetting fiber composite plastic cover layers is provided by the separator, which may be formed in various ways.
  • One embodiment relates to the fact that the separating body is formed according to the internal structure and limits the cavity.
  • This may be a balloon-like film structure which is deployed by injection of the foamable plastic material and the foaming process until the foam material forms the internal structure.
  • the separating body may also be formed in the manner of a scaffold or container, which separates the fiber layers, and in which the foamable plastic material can be injected.
  • the punch may require some compliance to allow expansion of the component due to injection and foaming of the foamable plastic material.
  • only one or two release film layers may be provided between the fiber layers to prevent bonding of the two in the mold closure during injection of the matrix material, and to allow the mold to be spaced prior to complete cure or consolidation of the fiber composite plastic cover layers can until a desired final thickness of the plastic multilayer component to be produced is reached and as a result of the release films, the closed cavity between the first and second fiber layer is formed.
  • the foamable material can also be provided by the plastic matrix material itself, which at least partially fills the cavity during injection into the fiber layer and is foamed there by supplying a propellant, for example a propellant gas.
  • a propellant for example a propellant gas.
  • the foaming can be caused by initiating a blowing agent such as a blowing gas.
  • foamable plastic materials may be used be whose foaming, for example, by heat generated or supplied there, or other energy input, such as by coupling of microwaves or ultrasound or light, are foamed.
  • the separating body may be formed from a foil material which dissolves in the matrix material during the foaming process.
  • a method for producing a molded plastic multilayer component refers to the fact that, in place of the separating body, which forms the cavity for injecting the foamable material, a prefabricated internal structure of a ready-foamed foam material is used, which on the first fiber layer is placed in the press mold, is placed and covered with the second fiber layer. In this case, at least one of the two fiber layers with respect to the inner structure on a circumferential excess, so that an edge of the inner structure is circumferentially covered by at least one fiber layer. It follows the closing of the tool and injecting a plastic matrix material into the fiber layers, wherein a pressing pressure between the thermosetting fiber composite plastic cover layers and the internal structure of foam material is applied, so that the component with the improved
  • Showing: 1 is a schematic cross-sectional view of a molded plastic multilayer component with circumferential edge made of fiber composite plastic,
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a first manufacturing phase for the
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a second manufacturing phase for the
  • the component 1 according to the invention as shown by way of example in FIG. 1 with two fiber composite plastic cover layers 2, 2 ', which have sandwiched a foamed internal structure 3, has a closed edge layer 2 ", which circumferentially surrounds the internal structure 3. It consists of the same Fiber composite plastic like the cover layers 2,2 '.
  • the increased mechanical characteristics of the component can be obtained by the manufacturing method according to the invention, in which the primary shaping of the fiber layers is created together with the injection of a matrix plastic, for example by a RTM process (Resin Transfer Molding) in a tool to form the foamed internal structure.
  • a matrix plastic for example by a RTM process (Resin Transfer Molding) in a tool to form the foamed internal structure.
  • RTM process Resin Transfer Molding
  • the complete sandwich package of endlessly reinforced cover layers 2, 2 'and foam core 3 is advantageously produced in a one-step process, wherein in the closed mold the cover layers are produced from reinforced continuous fibers in conjunction with a duroplastic matrix.
  • a duroplastic or thermoplastic foamable material is injected in the course of the production process between these two layers, which is foamed or foamed in the further course of the process.
  • fiber layers of long or continuous fibers are used which, for example in the form of fiber arrangements, also present rovings, layers, knits, mats or fabrics.
  • fiber assemblies are placed in the die mold, or on the die 11, to form the first fiber layer 2.
  • a separating body 3 ' is placed on it, which may for example also be a preform made of fiber material or spacer fabric, or a finished insert made of polymer foam which forms the foamed inner structure 3.
  • the separating body 3 'does not necessarily reflect the shape of the inner structure 3; It is conceivable that a release film or several release films are also used. men, which allow the formation of the cavity by spacing the punch 10 of the die 1 1. However, the separating body 3 'can also be a balloon-like film separating body, which is widened by injecting the foamable agent.
  • the manufacturing process further proceeds in such a way that the second fiber layer 2 'is placed on the separating body 3' or on the finished inner structure 3, wherein the fiber layers 2, 2 'may be dry fibers or a preform the fiber layers be 2,2 'also preimpregnated.
  • the fiber layers 2, 2 ' are designed such that they have an oversize relative to the inner structure or the separating body 3', which is dimensioned so that a peripheral, sealed edge section 2 "is provided for the finished component 1.
  • the matrix material is injected into the fiber layers 2, 2 '.
  • the matrix material can be conventional polyester or vinyl ester resins, suitable resins for carrying out a resin infusion process according to the RTM process are known. However, it is also possible to use precursors of thermoplastic materials, so-called in situ polymerizing thermoplastics. In the process variant in which a prefabricated inserter is used to form the internal structure of foam material, at this point the production is completed, the resin is allowed to cure / consolidate under appropriate pressure and temperature and the component can be removed.
  • a foamable material into the cavity provided by the separating body 3' takes place between the two layers 2, 2 '.
  • a plastic melt can be injected, which can take place by means of one or more injection nozzles, depending on the component design.
  • the foamable material 5 are injected through a corresponding feed.
  • a pressing pressure on the hardening or consolidating fiber layers 2, 2 ' is advantageously also exerted from the inside, by means of which the material properties or the mechanical characteristics of the component 1 are improved.
  • the foamed inner structure 3 and the hardening cover layers 2, 2 'and also the edge section 2 connect to one another in a material-locking manner.
  • the separating body or films may be selected from a material having a melting temperature above a melting temperature for carrying out the Forming to then still provide the cavity can, but it can also be a material that dissolves during the foaming process.
  • the initiation of the foaming of the foamable material can be realized in various ways.
  • a propellant such as a propellant or a chemical agent may be added which foams the injected plastic component.
  • the foaming can also be caused by the supply of heat or energy in another form, for example by microwaves and ultrasound.
  • the supply of heat can be done for example by laid in the separating body heating wires.
  • the material for the foamed internal structure can be advantageously formed by the matrix material itself, which is foamed by supplying a blowing agent, but other thermosetting or thermoplastic polymer components can be used, in particular a polyurethane foam can be used.
  • this spacing may occur simultaneously with the initiation of the foaming process.
  • the matrix material when the foaming process is initiated, nor so soft that the expanding foam forming can push the fiber layers to the outside, so that by the internal pressure, which is exerted on the still soft material, a shaping takes place, the no Damage caused by the forming. Due to the dimensions of the fiber layers and arrangements in the tool, the peripheral edge section is sealed in a water-tight or airtight manner and a flush joint is formed, which results in no crushed edge.
  • the sandwich construction further layers, for example, one or more layers of a plastic non-woven, which can be integrated into the layer structure between fiber mats and separating body.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil (1) mit endlosverstärkten Faserlagen (2,2') bereit, das einen Sandwichaufbau aus einer zwischen zumindest zwei Faserverbundkunststoff-Decklagen eingebetteten Innenstruktur (3) aus einem Schaummaterial aufweist. Das Bauteil (1) weist umfänglich um die eingebettete Innenstruktur (3) einen geschlossenen Rand aus dem Faserverbundkunststoff auf, der durch ein umlaufendes Übermaß (2") zumindest einer der Faserlagen (2,2') in Bezug auf die Innenstruktur (3) gebildet wird. Ferner werden zwei alternative Fertigungsverfahren zur Herstellung des Kunststoff-Mehrschicht-Bauteils (1) offenbart.

Description

Geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil mit endlosverstärkten Faserlagen und
Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil mit endlosverstärkten Faserlagen, das einen Sandwichaufbau mit einer geschäumten Innenstruktur aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf zwei alternative Herstellungsverfahren für derartige Kunststoff-Mehrschicht-Bauteile.
Es ist bekannt, Leichtbauteile, die beim Einsatz von großen mechanischen Beanspruchungen Stand halten müssen, unter Verwendung duromerer Verbundwerkstoffsysteme herzustellen. Ferner ist die Gestaltung von Sandwichbauteilen bekannt, in denen Schichten geringer Dichte und Schichten hoher Steifigkeit verbunden werden, um ein solches hoch beanspruchbares Leichtbauteil mit guten mechanischen Stabilitätswerten zu erhalten.
So beschreibt die DE 103 47 598 A1 ein Bauteil, insbesondere ein Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, das mit einer Außenschale aus einem Kunststoff mit hoher Oberflächengüte, die im so genannten Sheet-Moulding-Compound-, oder Bulk-Molding-Compound- oder RTM-Verfahren hergestellt wird. Sie verfügt weiter über eine innenseitige, flächig an der Außenschale anliegende Verstärkungsstruktur, die von zwei zueinander beabstan- deten Kunststoffschichten begrenzt wird. Zwischen diesen Kunststoffschichten ist eine Wabenstruktur oder ein schaumartiger Werkstoff vorgesehen. Dieses Bauteil wird in einem Werkzeug hergestellt, das eine Matrize und zwei austauschbare Stempel aufweist. Darin wird zunächst in einem ersten Schritt die Außenschale unter Verwendung eines ersten Stempels hergestellt, woraufhin die Verstärkungsstruktur auf die im Werkzeug verbliebene Außenschale gelegt wird und der Stempel ausgetauscht wird, so dass in einem zweiten Schritt die Kontur der Verstärkungsstruktur gebildet und die Außenschale mit der Verstärkungsstruktur verpresst werden kann.
Ferner ist aus der DE 10 2008 052 967 A1 ein mehrlagiges Flächenbauteil an einem Fahrzeug bekannt, das ein zwischen Fasern angeordnetes Kunststoff-Kernteil aufweist, wobei die Fasermatten durch abdeckende Kunststofffolien umgeben sind und der umlaufenden Rand des Lagenaufbaus zumindest abschnittsweise verpresst ist, um den La- genaufbau weitestgehend flüssigkeitsdicht zu gestalten. Durch das Verpressen wird ein umlaufender Rand mit geringerer Dicke als im restlichen Lagenaufbau geschaffen, in dem sämtliche Lagen des Flächenbauteils, auch das Kernteil, miteinander verpresst sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein verbessertes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil mit endlos verstärkten Faserlagen bereitzustellen, das neben guten mechanischen Kennwerten und auch als geformtes Bauteil mit verbesserten Werk- stoffeigenschaften herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein geformtes Kunststoff- Mehrschicht-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung von Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Diese Aufgabe wird durch die alternativen Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 10 gelöst.
Weiterbildungen des Bauteils und der Verfahren sind in den Unteransprüchen offenbart.
Ein erfindungsgemäßes, geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil mit endlos verstärkten Faserlagen, das einen Sandwichaufbau aus einer zwischen zumindest zwei Faserverbundkunststoff-Decklagen eingebetteten Innenstruktur aus einem Schaummaterial aufweist, hat einen umfänglich um die eingebettete Innenstruktur geschlossenen Rand. Dieser besteht aus dem Faserverbundkunststoff und wird gebildet, indem zumindest eine der Faserlagen, zwischen denen die Innenstruktur eingebettet ist, in Bezug auf dieselbe ein umlaufendes Übermaß aufweist. Die über die Innenstruktur ragenden Faserlagenabschnitte werden zur Bildung des umlaufenden Randes verwendet.
Für die Faserlagen der Faserverbundkunststoff-Decklagen finden dabei Lang- oder Endlosfasern Verwendung. In Betracht kommen unter anderem Glasfasern, Carbonfasern und/oder Aramidfasern, die im Verbund mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorliegen. Die Faserlagen können dabei Rovings, Gelege, Gestricke, Matten oder Gewebe umfassen. Das Kunststoff-Matrixmaterial ist bevorzugt durch ein härtbares Harz, das eine duromere Matrix bildet oder durch in-situ poiymerisierendes thermoplastisches Kunststoff- Matrixmaterial gebildet. Die Lang- oder Endlosfasern können insbesondere in Form von Faseranordnungen wie Rovings, Gelegen, Gestricken, Matten, Geweben oder ähnlichen eingesetzt werden.
Das Schaummaterial der Innenstruktur besteht aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffkomponente, die mit oder ohne Faseranteil ausgebildet ist. Ein solches Bauteil kann vorteilhaft in einem sogenannten One-Step-Prozess hergestellt werden, wobei nur ein einziges Pressform-Werkzeug, das einen Stempel und eine Matrize aufweist, benötigt wird, um das Fertigungsverfahren auszuführen. Dazu wird zunächst eine erste Faserlage in das Pressform-Werkzeug eingelegt, darüber folgt ein Trennkörper und auf den Trennkörper folgt eine zweite Faserlage, wobei eine oder beide der Faserlagen so bemessen sind, dass sie in Bezug auf den Trennkörper das umlaufende Übermaß aufweisen, aus dem der spätere Bauteilrand gebildet wird und der einen Rand des Trennkörpers umfänglich überdeckt.
Nach dem Einlegen der Lagen wird das Werkzeug geschlossen und das Kunststoff- Matrixmaterial in die Faserlagen injiziert, um die Faserverbundkunststoff-Decklagen zu bilden. Noch vor deren vollständiger Aushärtung, beziehungsweise Konsolidierung wird ein schäumbares Kunststoffmaterial in eine Kavität zwischen den aushärtenden
Faserverbundkunststoff-Decklagen injiziert und ein Aufschäumprozess dieses
Kunststoffmaterials initiiert, wobei das expandierende schäumbare Kunststoffmaterial einen Pressdruck auf die aushärtenden und sich konsolidierenden
Faserverbundkunststoff-Decklagen ausübt und eine stoffschlüssige Verbindung damit eingeht.
Die Kavität, in die das schäumbare Kunststoffmaterial initiiert wird, wird durch den Trennkörper gebildet, der somit eine Ballon- oder Taschenform haben wird.
Mit einem solchen Verfahren kann zur Herstellung des Bauteils ein hoher Kostenvorteil erzielt werden, da lediglich ein Werkzeug nötig ist und das Bauteil während eines Schließvorganges des Werkzeugs geschaffen wird. Es werden zudem die Werkzeugkosten minimiert, da auch ein Stempelaustausch entfällt, und es können kurze Zykluszeiten erreicht werden.
Das so geschaffene Bauteil weist zudem verbesserte Werkstoffeigenschaften auf, da die Bildung des Sandwiches, das den Verbund in den Faserverbundkunststoff-Decklagen als auch zu dem dazwischen liegenden Schaumkern umfasst, während eines einzigen Urformprozesses bereitgestellt wird. So können unter erheblicher Kostenreduktion auch in großen Stückzahlen Kunststoff-Mehrschicht-Bauteile mit endlos verstärkten Faserlagen und sehr guten mechanischen Kennwerten hergestellt werden, die zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau unter Berücksichtigung von Vorgaben bezüglich Leichtbauweise eingesetzt werden. Herkömmliche Sandwichprodukte mit Schaumkern im Stand der Technik werden bislang in einem Zweischrittprozess hergestellt, der einen vorgefertigten Sandwichkern in Kombination mit Decklagen umfasst. Bislang führte dies zu hohen Kosten sowie langen Prozesszeiten.
Die zur Injektion des schäumbaren Materials erforderliche geschlossene Kavität zwischen aushärtenden Faserverbundkunststoff-Decklagen wird durch den Trennkörper bereitgestellt, der in verschiedenen Weisen ausgebildet sein kann. Eine Ausführungsform bezieht sich darauf, dass der Trennkörper entsprechend der Innenstruktur ausgebildet ist und die Kavität begrenzt.
Hierbei kann es sich um eine ballonartige Folienstruktur handeln, die durch Injektion des schäumbaren Kunststoffmaterials und den Aufschäumprozess entfaltet wird, bis das Schaummaterial die Innenstruktur bildet.
Alternativ kann der Trennkörper auch in der Art eines Gerüsts oder Behältnisses ausgebildet sein, was die Faserlagen voneinander trennt, und in das das schäumbare Kunststoffmaterial eingespritzt werden kann. Im Falle der Ballonlösung kann es erforderlich sein, dass der Stempel eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist, um eine Ausdehnung des Bauteils in Folge der Injektion und der Aufschäumung des schäumbaren Kunststoffmaterials zu gestatten.
Alternativ kann auch lediglich eine oder können zwei Trennfolienschichten zwischen den Faserlagen vorgesehen werden, die ein Verbinden der beiden im Werkzeugschluss während der Injektion des Matrixmaterials verhindern, und die gestatten, dass die Pressform noch vor vollständiger Aushärtung, bzw. Konsolidierung der Faserverbundkunststoff- Decklagen beabstandet werden kann, bis eine gewünschte Enddicke des zu fertigenden Kunststoff-Mehrschicht-Bauteils erreicht ist und in Folge der Trennfolien die geschlossene Kavität zwischen der ersten und zweiten Faserlage gebildet wird.
Das schäumbare Material kann in einer Ausführungsform auch durch das Kunststoff- Matrixmaterial selbst bereitgestellt werden, das während der Injektion in die Faserlage zumindest teilweise die Kavität füllt und dort durch Zufuhr eines Treibmittels, etwa eines Treibgases, aufgeschäumt wird. Auch bei Verwendung eines anderen schäumbaren Mittels kann das Aufschäumen durch Initiieren eines Treibmittels wie einem Treibgas hervorgerufen werden. Alternativ können schäumbare Kunststoffmaterialien verwendet werden, deren Aufschäumen beispielsweise durch Wärme, die dort erzeugt oder zugeführt wird, oder einen anderen Energieeintrag, etwa durch Einkopplung von Mikrowellen oder Ultraschall oder Licht, aufgeschäumt werden.
In einer Ausführungsform kann der Trennkörper aus einem Folienmaterial ausgebildet sein, das sich während des Aufschäumprozesses in dem Matrixmaterial auflöst. Schließlich bezieht sich ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Kunststoff-Mehrschicht- Bauteils darauf, dass an Stelle des Trennkörpers, der die Kavität zum Injizieren des schäumbaren Materials bildet, eine vorgefertigte Innenstruktur aus einem fertig aufgeschäumten Schaummaterial verwendet wird, die auf die erste Faserlage, die in dem Pressformwerkzeug angeordnet ist, platziert wird und mit der zweiten Faserlage bedeckt wird. Dabei weist zumindest eine der beiden Faserlagen in Bezug auf die Innenstruktur ein umlaufendes Übermaß auf, so dass ein Rand der Innenstruktur umfänglich von wenigstens einer Faserlage überdeckt wird. Es folgt das Schließen des Werkzeugs und Injizieren eines Kunststoff-Matrixmaterials in die Faserlagen, wobei ein Pressdruck zwischen den aushärtenden Faserverbundkunststoff-Decklagen und der Innenstruktur aus Schaummaterial ausgeübt wird, so dass das Bauteil mit den verbesserten
Werkstoffeigenschaften bereitgestellt wird.
Diese ergeben sich auch daraus, dass die Faserverbund-Lagen beim vorgeschlagenen Prozess unter Ausübung eines Innendrucks aushärten, was der Formgebung zuträglich ist. Ferner entfällt das Auftreten eines Quetschrandes: Durch das Verbinden der unter und über der Schaumlage liegenden Faserlagen gemäß den bekannten Verfahren wird meist eine Quetschrandbildung herbeigeführt. Entfällt der Quetschrand und wird stattdessen ein auf Stoß abschließender Rand gebildet, wie in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, so lässt sich das Werkstück flexibler einsetzen.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines geformten Kunststoff-Mehrschicht- Bauteils mit umlaufendem Rand aus Faserverbundkunststoff,
Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht einer ersten Herstellungsphase für das
Bauteil in dem einzigen Werkzeug,
Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht einer zweite Herstellungsphase für das
Bauteil in dem einzigen Werkzeug.
Das erfindungsgemäße Bauteil 1 , wie es in Fig. 1 beispielhaft mit zwei Faserverbundkunststoff-Decklagen 2,2' dargestellt ist, die eine aufgeschäumte Innenstruktur 3 sandwichen, weist eine geschlossene Randschicht 2" auf, die die Innenstruktur 3 umlaufend umgibt. Sie besteht aus demselben Faserverbund-Kunststoff wie die Decklagen 2,2'.
Die erhöhten mechanischen Kennwerte des Bauteils können durch die erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren erhalten werden, in dem das Urformen der Faserlagen zusammen mit dem Injizieren eines Matrixkunststoffs etwa durch ein RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) in einem Werkzeug unter Ausbildung der geschäumten Innenstruktur geschaffen wird. Das komplette Sandwichpaket aus endlosverstärkten Decklagen 2,2' und Schaumkern 3 wird vorteilhaft in einem One-Step-Prozess hergestellt, wobei in dem geschlossenen Werkzeug die Decklagen aus verstärkten Endlosfasern in Verbindung mit einer duroplastischen Matrix hergestellt werden.
Während diese aushärten, bzw. konsolidieren, wird im Verlauf des Herstellungsprozesses zwischen diese beiden Lagen eine duroplastische oder thermoplastische aufschäumbare Masse injiziert, die im weiteren Prozessverlauf aufgeschäumt wird oder aufschäumt.
Als Faserverbund-Decklagen kommen Faserlagen aus Lang- oder Endlosfasern zum Einsatz, die beispielsweise in Form von Faseranordnungen auch Rovings, Gelegen, Gestricken, Matten oder Geweben vorliegen. Zunächst werden derartige Faseranordnungen in das Pressform- Werkzeug, beziehungsweise auf die Matrize 11 , gelegt, um die erste Faserlage 2 zu bilden. Auf diese wird, je nach Verfahrensvariante, entweder ein Trennkörper 3' gelegt, der beispielsweise auch eine Preform aus Fasermaterial oder Abstandsgewebe sein kann, oder ein fertiger Einleger aus Polymerschaum, der die aufgeschäumte Innenstruktur 3 bildet.
Der Trennkörper 3' muss nicht zwangsläufig die Form der Innenstruktur 3 wiedergeben; es ist denkbar, dass auch eine Trennfolie oder mehrere Trennfolien zum Einsatz kom- men, die die Bildung der Kavität durch Beabstandung des Stempels 10 von der Matrize 1 1 gestatten. Bei dem Trennkörper 3' kann es sich aber auch um einen ballonartigen Fo- lientrennkörper handeln, der durch Injizieren des schäumbaren Mittels aufgeweitet wird.
Der Herstellungsprozess verläuft im Weiteren so, dass auf den Trennkörper 3' beziehungsweise auf die fertige Innenstruktur 3 die zweite Faserlage 2' aufgelegt wird, wobei es sich bei den Faserlagen 2,2' um trockene Fasern oder um eine Preform handeln kann, unter Umständen können die Faserlagen 2,2' auch vorimprägniert sein. Die Faserlagen 2,2' sind so ausgebildet, dass sie ein Übermaß gegenüber der Innenstruktur respektive dem Trennkörper 3' aufweisen, das so bemessen ist, dass für das fertige Bauteil 1 ein umlaufender, dichter Randabschnitt 2" bereitgestellt wird.
Wie der Pfeil 4 in Fig. 2 andeutet, wird das Matrixmaterial in die Faserlagen 2,2' injiziert. Beim Matrixmaterial kann es sich um gängige Polyester oder Vinylesterharze handeln, geeignete Harze zur Durchführung eines Harz-Infusions-Prozesses nach dem RTM- Verfahren sind bekannt. Es können aber auch Vorstufen von thermoplastischen Materialien, sog. In-situ polymersisierende Thermoplaste verwendet werden. In der Verfahrensvariante, in der ein vorgefertigter Einleger, zur Ausbildung der Innenstruktur aus Schaummaterial verwendet wird, ist an dieser Stelle die Herstellung beendet, das Harz wird unter entsprechendem Druck und Temperaturbeaufschlagung aushärten / sich konsolidieren gelassen und das Bauteil kann entnommen werden.
Bei Verwendung eines Trennkörpers 3' erfolgt nun die Injektion eines schäumbaren Materials in die durch den Trennkörper 3' bereitgestellte Kavität zwischen den zwei Lagen 2,2'. Es kann beispielsweise eine Kunststoffschmelze eingespritzt werden, was mittels einer oder mehrerer Injektionsdüsen, abhängig von der Bauteilgestaltung, erfolgen kann. Dabei kann, wie in Fig. 3 angedeutet, das schäumbare Material 5 durch eine entsprechende Zuführung eingespritzt werden.
Durch das Aufschäumen wird vorteilhaft ein Pressdruck auf die aushärtenden, bzw. sich konsolidierenden Faserlagen 2,2' auch von innen ausgeübt, durch den die Werkstoffeigenschaften beziehungsweise die mechanischen Kennwerte des Bauteils 1 verbessert werden. Zudem verbinden sich die geschäumte Innenstruktur 3 und die aushärtenden Decklagen 2,2' und auch der Randabschnitt 2" stoffschlüssig miteinander.
Der Trennkörper oder die Trennfolien können aus einem Material gewählt werden, das eine Schmelztemperatur aufweist, die über einer Schmelztemperatur zur Ausführung des Urformens liegen, um danach noch die Kavität bereitstellen zu können, es kann sich aber auch um ein Material handeln, das sich während des Aufschäum Prozesses auflöst.
Das Initiieren der Schaumbildung des aufschäumbaren Materials kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Es kann ein Treibmittel wie ein Treibgas oder ein chemisches Mittel zugeführt werden, das die eingespritzte Kunststoffkomponente aufschäumt. Das Aufschäumen kann jedoch auch durch Zufuhr von Wärme oder Energie in anderer Form, beispielsweise durch Mikrowellen und Ultraschall hervorgerufen werden. Die Zufuhr von Wärme kann beispielsweise durch im Trennkörper verlegte Heizdrähte erfolgen.
Das Material für die aufgeschäumte Innenstruktur kann vorteilhaft durch das Matrixmaterial selbst gebildet werden, das durch Zufuhr eines Treibmittels aufgeschäumt wird, es können aber auch andere duroplastische oder thermoplastische Polymerkomponenten verwendet werden, insbesondere kann ein Polyurethanschaum verwendet werden.
In der Ausführungsform, in der Stempel und Matrize beabstandet werden, um die Kavität zu schaffen, kann diese Beabstandung gleichzeitig mit dem Initiieren des Schaumbildungsprozesses erfolgen.
Vorteilhaft ist das Matrixmaterial, wenn der Schaumbildungsprozess initiiert wird, noch so weich, dass der sich bildende, expandierende Schaum die Faserlagen nach außen drücken kann, so dass durch den Innendruck, der auf das noch weiche Material ausgeübt wird, eine Formgebung erfolgt, die keinerlei Schädigungen durch das Umformen herbeiführt. Durch die Abmessungen der Faserlagen und Anordnungen im Werkzeug wird der umlaufende Randabschnitt wasser- beziehungsweise luftdicht verschlossen und es wird ein bündiger Stoß gebildet, der keinen Quetschrand ergibt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Sandwichaufbau weitere Lagen, beispielsweise eine oder mehrere Lagen aus einem Kunststoff-Vlies, aufweist, das in den Schichtaufbau zwischen Fasermatten und Trennkörper eingebunden werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil (1 ) mit endlosverstärkten Faserlagen (2,2'), das einen Sandwichaufbau aus einer zwischen zumindest zwei Faserverbundkunststoff-Decklagen eingebetteten Innenstruktur (3) aus einem Schaummaterial aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (1) umfänglich um die eingebettete Innenstruktur (3) einen geschlossenen Rand aus dem Faserverbundkunststoff aufweist, der durch ein umlaufendes Übermaß (2") zumindest einer der Faserlagen (2,2') in Bezug auf die Innenstruktur (3) gebildet wird.
2. Bauteil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Faserverbundkunststoff-Decklagen
- Faserlagen (2,2') aus Lang- oder Endlosfasern, die Glasfasern, Carbonfasern und/oder Aramidfasern umfassen, insbesondere in Form von Faseranordnungen, umfassend Rovings, Gelege, Gestricke, Matten, Gewebe,
und
- ein duromeres oder in-situ polymerisierendes thermoplastisches Kunststoff- Matrixmaterial (4)
aufweist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaummaterial der Innenstruktur eine thermoplastische oder duroplastische Kunststoffkomponente mit oder ohne Faseranteil umfasst.
4. Fertigungsverfahren für ein geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines einzigen Pressform-Werkzeugs, das einen Stempel (10) und eine Matrize (1 1) umfasst, zum Ausführen des Fertigungsverfahrens,
und Einlegen zumindest einer ersten Faserlage (2), darüber Einlegen eines
Trennkörpers (3'), und auf den Trennkörper (3') Einlegen einer zweiten Faserlage (2'), wobei zumindest eine der Faserlagen (2,2') in Bezug auf den Trennkörper (3') ein umlaufendes Übermaß (2") aufweist, so dass ein Rand des Trennkörpers (3') umfänglich von zumindest einer der Faserlagen (2,2') überdeckt wird,
b) Schließen des Werkzeugs und Injizieren eines härtbaren Kunststoff-Matrixmaterials (4) in die Faserlagen (2,2'),
c) Injizieren eines schäumbaren Kunststoffmaterials (5) in eine durch den Trennkörper (3') bereitgestellte geschlossene Kavität zwischen den aushärtenden Faser- verbundkunststoff-Decklagen (2,2') und Initiieren eines Aufschäumprozesses des Kunststoffmaterials.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei der Trennkörper (3') entsprechend der Innenstruktur ausgebildet ist und die Kavität begrenzt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
wobei das schäumbare Material durch das duroplastische Kunststoff-Matrixmaterial bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei der Trennkörper (3') durch zumindest eine Trennfolienschicht bereitgestellt wird, und wobei das Verfahren vor Schritt c)
den Schritt umfasst:
Co) Beabstanden des Stempels (10) und der Matrize (1 1) voneinander, bis der dazwischen bereitgestellte Abstand einer Dicke des zu fertigenden Kunststoff-Mehrschicht-Bauteils entspricht, wobei die geschlossene Kavität zwischen der ersten und der zweiten Faserlage durch die Trennfolienschicht gebildet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 8,
wobei sich der Trennkörper in dem Matrixmaterial während des
Aufschäumprozesses auflöst.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9,
und wobei in Schritt c) das Initiieren des Aufschäumprozesses umfasst:
- Injizieren eines Treibmittels, insbesondere eines Treibgases, oder
- Einbringen von Wärme oder von Licht, oder Einkopplung von Mikrowellen oder von Ultraschallwellen
in das in der Kavität vorliegende schäumbare Kunststoffmaterial.
10. Verfahren für ein geformtes Kunststoff-Mehrschicht-Bauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
umfassend die Schritte
Bereitstellen eines einzigen Pressform-Werkzeugs, das einen Stempel (10) und eine Matrize (1 1 ) umfasst, zum Ausführen des Fertigungsverfahrens und Einlegen zumindest einer ersten Faserlage (2), darüber Einlegen der Innenstruktur (3) aus dem aufgeschäumten Schaummaterial, und auf der Innenstruktur (3) Einlegen einer zweiten Faserlage (2'), wobei zumindest eine der Faserlagen (2,2') in Bezug auf die Innenstruktur (3) ein umlaufendes Übermaß (2") aufweist, so dass ein Rand der Innenstruktur (3) umfänglich von zumindest einer der Faserlagen (2,2') überdeckt wird,
b Schließen des Werkzeugs und Injizieren eines duroplastischen Kunststoff- Matrixmaterials (4) in die Faserlagen (2,2').
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