DE102015005504B4

DE102015005504B4 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102015005504B4
Application number: DE102015005504.6A
Authority: DE
Inventors: Anja Jäschke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2035-05-01
Also published as: DE102015005504A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1) in einem RTM-Prozess, bei dem in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug (9) aus trockenem, noch nicht matrixdurchtränktem Fasermaterial bereitgestellt wird, in einem Preformschritt das Faserhalbzeug (9) unter Bildung eines Vorformlings (39) dreidimensional bauteilendkonturnah umgeformt wird, und in einem Injektionsschritt der Vorformling (39) in eine Werkzeugkavität (13) eines Injektionswerkzeugs (15) bestehend aus einem unteren Werkzeugteil (21) und einem oberen Werkzeugteil (20) eingelegt ist sowie unter Druck und Wärme eine flüssige Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität (13) injiziert und darin ausgehärtet wird, wobei zur Bildung des Vorformlings (39) der Preformschritt aufgeteilt ist in einen ersten Teilschritt, in dem das noch unverformte Faserhalbzeug (9) in der Werkzeugkavität (13) vorpositioniert wird, und in einen zweiten Teilschritt, in dem eine Ausgangskomponente eines Schaummaterials in der Werkzeugkavität (13) aufgeschäumt wird und das aufschäumende Schaummaterial das Faserhalbzeug (9) unter Bildung des dreidimensional umgeformten Vorformlings (39) gegen eine die Werkzeugkavität (13) begrenzende Formfläche (17, 19) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Injektionsschritts eine Werkzeugkavitätshöhe (h) durch Anheben eines der Injektionswerkzeugteile (20, 21) um einen Höhenversatz (Δh) vergrößert wird, um das Fließverhalten der in die Werkzeugkavität (13) injizierten Matrix-Ausgangskomponente zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem RTM-Prozess nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Fahrzeugbau kann für die Serienfertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding) eingesetzt werden. Mit Hilfe des RTM-Verfahrens können Bauteile in großer Stückzahl sowie hohen Faser-Volumengehalten reproduzierbar in kurzen Zykluszeiten hergestellt werden.
Aus der EP 2 524 796 A1 ist ein RTM-Verfahren bekannt, bei dem in einem Bereitstellungsschritt ein ebenflächiges Faserhalbzeug aus trockenem, das heißt noch nicht matrixdurchtränktem Fasermaterial bereitgestellt wird. Das Faserhalbzeug kann beispielhaft eine Fasermatte, ein Fasergewebe, ein Fasergeflecht, -gestricke, -gelege oder -vlies sein. In einem dem Injektionsschritt vorgelagerten Preformschritt wird das noch ebenflächige Faserhalbzeug unter Bildung eines Vorformlings dreidimensional sowie bauteilendkonturnah umgeformt. Anschließend erfolgt der Injektionsschritt, bei dem der in einer Werkzeugkavität eines Injektionswerkzeugs eingelegte Vorformling unter Druck und Wärme mit einer flüssigen Matrix-Ausgangskomponente durchtränkt wird und anschließend ausgehärtet wird.
In gängiger Praxis erfolgt der Preformschritt in einer dem Injektionswerkzeug prozesstechnisch vorgelagerten Preformanlage, die beispielhaft eine Presse mit Preformwerkzeugen ist, in der das noch trockene Faserhalbzeug dreidimensional umgeformt wird. Für eine solche dreidimensionale Umformung des Faserhalbzeuges ist eine Bebinderung erforderlich, bei der auf das noch nicht matrixdurchtränkte Faserhalbzeug ein Binder appliziert wird. Der Preformschritt ist somit prozesstechnisch sowie anlagentechnisch aufwendig durchführbar.
Aus der DE 100 24 814 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bekannt, das als ein Kunststoff-Bauteil realisiert ist. Aus der DE 10 2013 114 770 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von mit Verstärkungsfasern verstärkten Sandwichbauteilen bekannt. Aus der DE 10 2009 034 265 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils mit einem geschäumten Kern und einer ungeschäumten Hülle bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, das mit im Vergleich zum Stand der Technik reduziertem prozesstechnischen Aufwand durchführbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht allgemein auf dem Grundgedanken, den Preformschritt und den nachfolgenden Injektionsschritt gemeinsam im Injektionswerkzeug durchzuführen, wodurch auf eine prozesstechnisch dem Injektionswerkzeug vorgelagerte Preformanlage verzichtet werden kann. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 der Preformschritt zur Bildung des Vorformlings aufgeteilt in einen ersten Preform-Teilschritt, in dem das noch unverformte Faserhalbzeug in der Werkzeugkavität des Injektionswerkzeuges vorpositioniert wird. Anschließend erfolgt ein zweiter Preform-Teilschritt, in dem eine Ausgangskomponente eines Schaummaterials in der Werkzeugkavität aufgeschäumt wird. Das aufschäumende Schaummaterial drückt dabei - unter Bildung eines dreidimensional umgeformten Vorformlings - das Faserhalbzeug gegen die, die Werkzeugkavität begrenzende Formfläche. Die Formfläche der Werkzeugkavität definiert eine Negativform der Bauteilkontur, wodurch das Faserhalbzeug prozesstechnisch einfach beim Aufschäumvorgang bis in die Bauteilendkontur umformbar ist. Der so gebildete Vorformling verbleibt anschließend im Injektionswerkzeug, um den Injektionsschritt durchzuführen.
In einer technischen Umsetzung des Preformschrittes wird das noch unverformte Faserhalbzeug drapierfähig, das heißt biegeschlaff sowie im Wesentlichen ohne Eigensteifigkeit in die Werkzeugkavität eingelegt und darin vorpositioniert. Das Faserhalbzeug kann bevorzugt ein drapierfähiges Textil, zum Beispiel ein Gewebe, Gestricke, Gelege oder dergleichen sein. Das in der Werkzeugkavität vorpositionierte Faserhalbzeug wird anschließend im zweiten Preform-Teilschritt unter Bildung des Vorformlings aufgeschäumt, bei dem der Vorformling gebildet wird.
Bevorzugt kann das Schaummaterial des Vorformlings nach dessen erfolgter Aushärtung einen formstabilen Schaumkern bilden, der im Vorformling einstückig integriert ist. Der Schaumkern kann bevorzugt mit einer ausreichend großen Druckstabilität ausgelegt sein. Dadurch ist ein Kollabieren des Vorformlings aufgrund hoher Kavitäts-Innendrücke im nachfolgenden Injektionsschritt vermieden und dauerhaft eine ausreichende Schaumkern-Formstabilität gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Schaumkern ein Strukturschaum, insbesondere ein Kunststoff-Strukturschaum sein, dessen flüssige Ausgangskomponente unter Druck und Wärme im zweiten Preform-Teilschritt aufgeschäumt wird. Beispielhaft kann der Kunststoff-Strukturschaum aus PU, PP oder PA hergestellt sein oder ein 2K-Strukturschaum ein. Auf diese Weise ergibt sich ein Leichtbau-Vorformling, der im Vergleich zu einem herkömmlichen faserverstärkten Kunststoffbauteil ein wesentlich reduziertes Bauteilgewicht aufweist. Im Hinblick auf eine weitere Gewichtsreduzierung kann in dem Strukturschaum ein Leichtfüllstoff-Granulat integriert sein, zum Beispiel Acrylglaskugeln, Leichtbaugranulat aus geschäumten Glas oder Ton, Mineralschaumgranulat, Metallschaumgranulat oder dergleichen.
Während des im zweiten Preform-Teilschrittes erfolgenden Schäumungsvorganges sind die, die Werkzeugkavität begrenzenden Injektionswerkzeugteile mit einer vorgegebenen Presskraft gegeneinander gedrückt. Seitlich außerhalb der Werkzeugkavität ist zwischen den beiden Injektionswerkzeugteilen eine umlaufende Dichtung positioniert, die die Werkzeugkavität nach außen abdichtet, und zwar zwischen einander gegenüberliegenden Werkzeugflächen der beiden Injektionswerkzeugteile.
Nach erfolgter Aushärtung des in der Werkzeugkavität gebildeten Vorformlings wird der Injektionsschritt durchgeführt. Um das Fließverhalten der in die Werkzeugkavität injizierten Matrix-Ausgangskomponente zu verbessern, wird - im Vergleich zum zweiten Preform-Teilschritt - die Werkzeugkavitätshöhe im nachfolgenden Injektionsschritt vergrößert, und zwar durch ein geringfügiges Anheben eines der beiden Injektionswerkzeugteile um einen vorgegebenen Höhenversatz. Der Höhenversatz ist derart bemessen, dass einerseits die Dichtfunktion der umlaufenden Kavitäts-Dichtung gewährleistet bleibt und andererseits ein ausreichend freier Spaltabstand in der Werkzeugkavität gebildet ist, durch den die flüssige Matrix-Ausgangskomponente mit reduziertem Fließwiderstand strömen kann. Nach der Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem Injektionswerkzeug entnommen werden.
Dem Injektionswerkzeug ist eine Injektionseinheit zugeordnet, über die die flüssige Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität einspeisbar ist. Hierzu mündet eine im Injektionswerkzeug integrierte Injektionsleitung an einer Angussstelle in die Werkzeugkavität. Zudem ist dem Injektionswerkzeug eine Schäumungsanlage zugeordnet, die über einen Schusskanal strömungstechnisch mit der Werkzeugkavität verbunden ist. Über den Einschusskanal kann im zweiten Preform-Teilschritt die flüssige Schaummaterial-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität eingespeist werden. Der Einschusskanal der Schäumungsanlage sowie die Injektionsleitung der Injektionseinheit sind funktionell voneinander getrennt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bevorzugt ein Leichtbau-Bauteil mit einer Sandwichstruktur bzw. einem Mehrlagenaufbau hergestellt werden. Hierzu können im ersten Preform-Teilschritt an einander zugewandten, gegenüberliegenden Formflächen jeweils ein Faserhalbzeug vorpositioniert (drapiert) werden. Dies erfolgt unter Bildung eines Freiraumes zwischen den beiden Faserhalbzeugen. Im zweiten Prozessschritt wird der Schäumungsvorgang durchgeführt, bei dem die Schaummaterial-Ausgangskomponente in den Freiraum eingeschossen wird. Auf diese Weise ergibt sich ein Dreilagenaufbau mit einem mittleren Schaumkern sowie gegenüberliegenden Decklagen aus jeweils einem faserverstärken Kunststoffmaterial.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer Sandwichstruktur;
2 bis 5 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung des in der 1 gezeigten Bauteils veranschaulichen.

Die Figuren sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des Kunststoffbauteils 1 sowie des in den 2 bis 5 gezeigten Injektionswerkzeuges 15 wiedergeben.
In der 1 ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 1 gezeigt, das in einer, in den 2 bis 5 angedeuteten RTM-Vorrichtung hergestellt ist. Das Kunststoffbauteil 1 weist einen Mehrlagenaufbau 6 auf, und zwar aus einem mittleren Schaumkern 3 sowie aus zwei äußeren Decklagen 5, 7. Der Schaumkern 3 ist beispielhaft ein Kunststoff-Strukturschaum, während die beiden oberen und unteren Decklagen 5, 7 jeweils aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt sind. Jede der Decklagen 5, 7 weist ein Faserhalbzeug 9 auf, das in einer Kunststoffmatrix 11 (5) eingebettet ist.
Nachfolgend ist anhand der 2 bis 5 das Verfahren zur Herstellung des in der 1 gezeigten Kunststoffbauteils beschrieben: So werden in einem ersten Bereitstellungsschritt die Faserhalbzeuge 9 aus einem trockenen, das heißt noch nicht matrixdurchtränkten Fasermaterial bereitgestellt. Die bereitgestellten Faserhalbzeuge 9 liegen in einem unbehinderten Zustand vor, bei dem die Faserhalbzeuge 9 noch drapierfähig sind, also biegeschlaff sowie im Wesentlichen ohne Eigensteifigkeit. Die beiden noch drapierfähigen Faserhalbzeuge 9 werden in einem ersten Preform-Teilschritt in eine Werkzeugkavität 13 des Injektionswerkzeuges 15 eingelegt. Die beiden drapierfähigen Faserhalbzeuge 9 werden dabei an einander zugewandten, gegenüberliegenden Formflächen 17, 19 vorpositioniert, die die Werkzeugkavität 13 definieren und jeweils einander gegenüberliegenden Werkzeugteilen 20, 21 zugeordnet sind.
Wie aus den 2 bis 5 hervorgeht, ist das obere Werkzeugteil 20 mittels einer Hauptzylinderanordnung 23 hubverstellbar, während das untere Werkzeugteil 21 ortsfest positioniert ist. Im oberen Werkzeugteil 20 befindet sich seitlich versetzt zum Kraftangriffspunkt des Pressenstößels der Hauptzylinderanordnung 23 eine Injektionsleitung 25, die an einer Angussstelle 27 in die Werkzeugkavität 13 mündet. Die Injektionsleitung 25 ist Bestandteil einer nur in der 5 angedeuteten Injektionseinheit 29.
In dem unteren Werkzeugteil 21 ist ein Einschusskanal 31 integriert, der ebenfalls in die Werkzeugkavität 13 mündet und Bestandteil einer in der 4 angedeuteten Schäumungsanlage 33 ist. Bei geschlossenem Werkzeug 15 ist die Werkzeugkavität 13 nach außen mittels eines umlaufenden Dichtelementes 35 abgedichtet, das in den 3 bis 5 zwischen einander zugewandten Werkzeugflächen 36 der oberen und unteren Werkzeugteile 20, 21 angeordnet ist.
Nach der in der 2 erfolgten Vorpositionierung der darpierfähigen Faserhalbzeuge 9 an den Formflächen 17, 19 des Injektionswerkzeuges 15 wird die Werkzeugkavität 13 mit einer Pressenkraft F_P geschlossen. Zwischen den beiden in der Werkzeugkavität 13 eingelegten Faserhalbzeug-Lagen 9 ist in der 3 ein Freiraum 37 definiert. In den Freiraum 37 mündet der Einschusskanal 31 der Schäumungsanlage 33.
Im Anschluß an die Vorpositionierung wird ein zweiter Preform-Teilschnitt durchgeführt, bei dem gemäß der 4 die Schäumungsanlage 33 aktiviert wird. Daraufhin wird eine flüssige Schaummaterial-Ausgangskomponente durch den Einschusskanal 31 in den Freiraum 37 der Werkzeugkavität 13 eingeschossen, und zwar unter Druck und Hitze, wodurch das Schaummaterial aufschäumt und die beiden Faserhalbzeuge 9 unter Bildung eines dreidimensional umgeformten Vorformlings 39 (4 und 5) gegen die beiden Formflächen 17, 19 drückt. Das Schaummaterial des gebildeten Schaumkerns 3 ist so ausgelegt, dass es eine ausreichend große Druckstabilität aufweist. Diese ist von Relevanz, um beim nachfolgenden Injektionsschritt (5) ein Kollabieren des Schaummaterials zu vermeiden und eine einwandfreie Formstabilität zu gewährleisten.
In der 5 ist der Injektionsschritt angedeutet, bei dem eine flüssige Matrix-Ausgangskomponente über die Injektionsleitung 25 in die Werkzeugkavität 13 injiziert wird. Auf diese Weise werden die außenliegenden Faserhalbzeuge 9 des Vorformlings 39 mit der Kunststoffmatrix durchtränkt. Um das Fließverhalten der in die Werkzeugkavität 13 injizierten Matrix-Ausgangskomponente zu verbessern, wird vor der Durchführung des Injektionsschrittes (5) die Werkzeugkavitätshöhe h durch Anheben des oberen Werkzeugteils 21 um einen Höhenversatz Δh vergrößert, wodurch sich der Fließwiderstand in der Werkzeugkavität 13 reduziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1) in einem RTM-Prozess, bei dem in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug (9) aus trockenem, noch nicht matrixdurchtränktem Fasermaterial bereitgestellt wird, in einem Preformschritt das Faserhalbzeug (9) unter Bildung eines Vorformlings (39) dreidimensional bauteilendkonturnah umgeformt wird, und in einem Injektionsschritt der Vorformling (39) in eine Werkzeugkavität (13) eines Injektionswerkzeugs (15) bestehend aus einem unteren Werkzeugteil (21) und einem oberen Werkzeugteil (20) eingelegt ist sowie unter Druck und Wärme eine flüssige Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität (13) injiziert und darin ausgehärtet wird, wobei zur Bildung des Vorformlings (39) der Preformschritt aufgeteilt ist in einen ersten Teilschritt, in dem das noch unverformte Faserhalbzeug (9) in der Werkzeugkavität (13) vorpositioniert wird, und in einen zweiten Teilschritt, in dem eine Ausgangskomponente eines Schaummaterials in der Werkzeugkavität (13) aufgeschäumt wird und das aufschäumende Schaummaterial das Faserhalbzeug (9) unter Bildung des dreidimensional umgeformten Vorformlings (39) gegen eine die Werkzeugkavität (13) begrenzende Formfläche (17, 19) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Injektionsschritts eine Werkzeugkavitätshöhe (h) durch Anheben eines der Injektionswerkzeugteile (20, 21) um einen Höhenversatz (Δh) vergrößert wird, um das Fließverhalten der in die Werkzeugkavität (13) injizierten Matrix-Ausgangskomponente zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Preform-Teilschritt das Faserhalbzeug (9) drapierfähig, das heißt biegeschlaff in der Werkzeugkavität (13) vorpositioniert wird, und dass das Faserhalbzeug (9) insbesondere in einem unbehinderten Zustand vorpositioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Vorformlings (39) nach erfolgter Aushärtung im zweiten Preform-Teilschritt einen im Vorformling (39) integrierten Schaumkern (3) bildet, der eine Druckstabilität aufweist, um ein Kollabieren während des Injektionsschrittes zu vermeiden und eine Formstabilität zu gewährleistet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern (3) ein Strukturschaum, insbesondere ein Kunststoff-Strukturschaum ist, dessen flüssige Ausgangskomponente unter Druck und Wärme im zweiten Preform-Teilschritt aufgeschäumt wird, und dass der Kunststoff-Strukturschaum insbesondere ein PU-Strukturschaum oder ein 2K-Strukturschaum ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Matrix-Ausgangskomponente an einer, im Injektionswerkzeug (15) ausgebildeten Angussstelle (27) in die Werkzeugkavität (13) injiziert wird, und dass die Schaummaterial-Ausgangskomponente über einen, in die Werkzeugkavität (13) mündenden Einschußkanal (31) in die Werkzeugkavität (13) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Kunststoffbauteils (1) mit Mehrlagenaufbau (6) im ersten Preform-Teilschritt an einander zugewandten, gegenüberliegenden Kavitäts-Formflächen (17, 19) Faserhalbzeuge (9) vorpositioniert werden, und zwar unter Bildung eines Freiraums (37) zwischen den Faserhalbzeugen (9), und im zweiten Prozessschritt die Schaummaterial-Ausgangskomponente in den Freiraum (37) eingeschossen wird und ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern (3) ein Polymerschaum aus Thermoplastmaterial, insbesondere ein Kunststoff-Strukturschaum ist, der als Schmelze unter Zusatz von Treibmittel unter Druck und Wärme im zweiten Preform-Teilschritt aufgeschäumt wird, und dass der Kunststoff-Strukturschaum insbesondere ein PP, PA, PE oder anderer Thermoplast ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern (3) ein Gusspolyamid, gegebenenfalls unter Zusatz von Treibmittel, ist, dessen flüssige Ausgangskomponenten unter Druck und Wärme im zweiten Preform-Teilschritt polymerisieren und gegebenenfalls aufgeschäumt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tauchkante des lnjektionswerkzeugs (15) aus einem Dichtungsmaterial ausgeführt ist, welches im Werkzeug federnd gelagert ist und somit die Form gleichzeitig abdichtet.