DE102011107209A1 - Fiber-reinforced plastic component for semifinished product, has reinforcing fiber, matrix and insert part, where matrix has cured matrix materials, which differ from each other in shrinkage behavior and form sections of plastic component - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil und ein Faser-Matrix-Halbzeug sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a fiber-reinforced plastic component and a fiber-matrix semifinished product and a method for their production.
Die Herstellung von Verbund-Strukturbauteilen, beispielsweise nach dem SMC-Verfahren (sheet moulding compound) oder dem RTM-Verfahren (resin transfer moulding) zur Fertigung von Leichtbauteilen im Bereich der Kraftfahrzeug- und Luftfahrt-Industrie ist an sich bekannt. Diese Verbund-Strukturbauteile sind speziell für den Einsatz in Bereichen ausgelegt, in denen große mechanische Beanspruchungen auftreten. Dabei werden aus Verstärkungsfasern und aushärtbarer Matrix Halbzeuge hergestellt, die anschließend zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet werden können. Die Eigenschaften des fertigen Bauteils ergeben sich hauptsächlich aus der Art und den Eigenschaften der eingesetzten Ausgangsstoffe.The production of composite structural components, for example according to the SMC process (sheet molding compound) or the RTM process (resin transfer molding) for the production of lightweight components in the field of the automotive and aviation industry is known per se. These composite structural components are specifically designed for use in areas where high mechanical stresses occur. Here are made of reinforcing fibers and hardenable matrix semi-finished products, which can then be further processed into a finished component. The properties of the finished component arise mainly from the nature and properties of the starting materials used.
Aus der
Ferner ist aus der
Die Verbund-Strukturbauteile nach dem Stand der Technik, die im Leichtbau immer häufiger eingesetzt werden, haben üblicherweise hohe Festigkeiten und Steifigkeiten. Diese Eigenschaften machen die Verbund-Strukturbauteile jedoch meist sehr spröde, so dass sie sich nur wenig elastisch deformieren können. Soll ein Verbund-Strukturbauteil beispielsweise mit Anbindungsteilen für die Karosserie oder anderen Einsätzen versehen werden, müssen diese entweder nachträglich an dem Verbund-Strukturbauteil befestigt oder schon beim Herstellungsverfahren eingebracht werden. Beim nachträglichen Befestigen kann sich die Sprödigkeit der Verbund-Strukturbauteile als nachteilig erweisen Beim Einbringen von Einsatzteilen oder Inserts während des Herstellungsverfahrens müssen aufwändige Vorkehrungen getroffen werden, damit der Einsatz eine ausreichende Anbindung an den Faser-Matrix-Verbund erreicht.The composite structural components of the prior art, which are increasingly used in lightweight construction, usually have high strengths and stiffnesses. However, these properties make the composite structural components usually very brittle, so that they can deform only slightly elastic. If a composite structural component is to be provided, for example, with connecting parts for the bodywork or other inserts, these must either be subsequently attached to the composite structural component or already introduced during the production process. When subsequently attached, the brittleness of the composite structural components may be disadvantageous When inserting inserts or inserts during the manufacturing process, elaborate precautions must be taken to ensure that the insert achieves sufficient bonding to the fiber-matrix composite.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, bei dem die Anbindung eines Einsatzes verbessert ist und ein Faser-Matrix-Halbzeug zur Herstellung des Kunststoffbauteils zu schaffen.Based on this prior art, it is an object of the present invention, a fiber-reinforced plastic component in which the connection of an insert is improved and to create a fiber-matrix semifinished product for the production of the plastic component.
Diese Aufgabe wird durch ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Faser-Matrix-Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.This object is achieved by a fiber-reinforced plastic component having the features of
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 offenbart die Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeugs und die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 8 und 10 lösen die Aufgabe der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.A method with the features of claim 7 discloses the production of a fiber-matrix semifinished product and the methods with the features of claims 8 and 10 solve the task of producing a fiber-reinforced plastic component.
Weiterbildungen des faserverstärkten Kunststoffbauteils, des Faser-Matrix-Halbzeugs und der Herstellungsverfahren sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the fiber-reinforced plastic component, the fiber-matrix semifinished product and the manufacturing method are carried out in the respective subclaims.
Die erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, das Verstärkungsfasern, eine Matrix und zumindest ein Einlegeteil umfasst. Die Matrix umfasst zumindest zwei ausgehärtete Matrixmaterialien. Die Matrixmaterialien unterscheiden sich hinsichtlich ihres Schwindungsverhaltens bei der Härtung der Matrix. Hierbei ist die Reaktionsschwindung bei der Aushärtung der Matrix-Harze gemeint. Die Matrixmaterialien bilden zumindest zwei Abschnitte des Kunststoffbauteils aus. Dabei ist das Einlegeteil in dem Abschnitt des Kunststoffbauteils angeordnet, der durch ein Matrixmaterial ausgebildet wird, das eine stärkere Reaktionsschwindung aufweist als ein anderes Matrixmaterial in einem benachbarten Abschnitt. Das in dieser Weise ausgeführte Kunststoffbauteil hat den Vorteil, dass das Einlegeteil fest in der Matrix gehalten wird, da durch das bei der Aushärtung stärker schwindende Matrixmaterial die Matrix auf das Einlegeteil aufgeschrumpft ist. Bei den Einlegeteilen kann es sich beispielsweise um Rohre oder ähnliche Bauteile sowie um Bauteile für die Anbindung an eine Karosserie wie Gewinde, Bolzen, Hülsen und dergleichen handeln.The first embodiment of the invention relates to a fiber-reinforced plastic component comprising reinforcing fibers, a matrix and at least one insert. The matrix comprises at least two cured matrix materials. The matrix materials differ in terms of their shrinkage behavior in the curing of the matrix. Here, the reaction shrinkage in the curing of the matrix resins is meant. The matrix materials form at least two sections of the plastic component. In this case, the insert part is arranged in the section of the plastic component which is formed by a matrix material which has a greater reaction shrinkage than another matrix material in an adjacent section. The plastic component embodied in this way has the advantage that the insert part is held firmly in the matrix, since the matrix shrunk onto the insert part as a result of the matrix material, which shrinks more strongly during the curing. The inserts may be, for example, pipes or similar components and components for connection to a body such as threads, bolts, sleeves and the like.
Um die Stabilität des faserverstärkten Kunststoffbauteils über die verschiedenen Abschnitte mit unterschiedlichen Matrixmaterialien zu erreichen, kann das Matrixmaterial in dem Abschnitt mit stärkerer Schwindung in einer Grenzzone mit zumindest einem Matrixmaterial eines benachbarten Abschnitts durchmischt sein.In order to achieve the stability of the fiber-reinforced plastic component over the different sections with different matrix materials, the matrix material in the zone of greater shrinkage in a boundary zone may be mixed with at least one matrix material of an adjacent section.
Vorteilhaft weisen die Matrixmaterialien eine Zusammensetzung auf, die zumindest ein Harz und einen Härter umfasst oder die zumindest ein Harz, einen Härter und ein Additiv zur Schwundeinstellung umfasst. Dabei unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Matrixmaterialien hinsichtlich der Art und/oder des Anteils zumindest einer Komponente ihrer Zusammensetzungen. Hierdurch kann eine stofflich homogene Matrix hergestellt werden, die nur gering modifiziert ist. Die Übergangszone zwischen den benachbarten Matrixmaterialien ist dadurch sehr gleichmäßig und die physikalischen Eigenschaften ändern sich nur kontinuierlich, bzw. graduell. Advantageously, the matrix materials have a composition comprising at least a resin and a curing agent, or comprising at least a resin, a curing agent and a fading adjustment additive. In this case, the compositions of the matrix materials differ with regard to the nature and / or proportion of at least one component of their compositions. As a result, a materially homogeneous matrix can be produced, which is only slightly modified. The transition zone between the adjacent matrix materials is therefore very uniform and the physical properties change only continuously or gradually.
Ferner können die Matrixmaterialien Zusätze aus der Gruppe umfassend Vernetzungsmittel, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, Additive, insbesondere Additive zur Schwundeinstellung, Weichmacher, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe und Stabilisatoren aufweisen.Furthermore, the matrix materials may comprise additives from the group comprising crosslinking agents, fillers, in particular mineral fillers, additives, in particular additives for shrinkage adjustment, plasticizers, inhibitors, inert release agents, dyes, flame retardants, conductive additives and stabilizers.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich zudem auf ein Faser-Matrix-Halbzeug, das Verstärkungsfasern und aushärtbare Matrix, bzw. Matrixharze umfasst. Die aushärtbare Matrix umfasst zumindest zwei aushärtbare Matrixmaterialien, bzw. Matrix-Harze, die sich hinsichtlich ihres Schwindungsverhaltens unterscheiden und die zumindest zwei Abschnitte des Halbzeugs ausbilden. Dabei ist unter dem Schwindungsverhalten die Reaktionsschwindung zu verstehen, welche sich Aufgrund der Aushärtung der Matrix-Harze ergibt. Das so gestaltete Halbzeug ermöglicht bei der Herstellung eines Kunststoffbauteils die bedarfsgerechte Einstellung des Schwindungsverhaltens in einzelnen Abschnitten oder über das gesamte Halbzeug hinweg.The present invention also relates to a fiber-matrix semifinished product comprising reinforcing fibers and curable matrix or matrix resins. The curable matrix comprises at least two curable matrix materials, or matrix resins, which differ in their shrinkage behavior and which form at least two sections of the semifinished product. Here, the shrinkage behavior is to be understood as the reaction shrinkage which results from the curing of the matrix resins. The semi-finished product designed in this way makes it possible to adjust the shrinkage behavior in individual sections or over the entire semifinished product as needed in the production of a plastic component.
Vorteilhafterweise sind die Matrixmaterialien in einer Grenzzone zwischen den Abschnitten des Halbzeugs mischbar, um eine gute Verbindung und Stabilität zwischen den einzelnen Abschnitten des herzustellenden Kunststoffbauteils zu erreichen.Advantageously, the matrix materials are miscible in a boundary zone between the sections of the semifinished product in order to achieve a good connection and stability between the individual sections of the plastic component to be produced.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Faser-Matrix-Halbzeugs, das die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Anordnung von Verstärkungsfasern und Imprägnieren der Verstärkungsfaser-Anordnung mit zumindest zwei, sich hinsichtlich ihres Schwindungsverhaltens unterscheidenden, aushärtbaren Matrixmaterialien. Dabei werden zumindest zwei benachbarte Abschnitte des Halbzeugs ausgebildet, die beim Aushärten eine unterschiedliche Schwindung zeigen.A further embodiment relates to a method for producing a fiber matrix semifinished product as described above, comprising the steps of: providing an arrangement of reinforcing fibers and impregnating the reinforcing fiber arrangement with at least two curable matrix materials differing in their shrinkage behavior. In this case, at least two adjacent sections of the semifinished product are formed, which show a different shrinkage during curing.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen faserverstärkten Kunststoffbauteils, das zunächst den Schritt des Bereitstellens von Verstärkungsfasern oder einer Verstärkungsfaser-Anordnung in der Kavität eines Formwerkzeugs umfasst. Anschließend wird wenigstens ein Einlegeteil in oder auf den Verstärkungsfasern oder der Verstärkungsfaser-Anordnung in dem Formwerkzeug positioniert. Als nächster Schritt folgt das Injizieren von zumindest zwei sich hinsichtlich ihres Schwindungsverhaltens unterscheidenden, aushärtbaren Matrixmaterialien in die Kavität, wobei das Matrixmaterial mit der stärkeren Schwindung an zumindest einer ersten Stelle in einen Bereich der Kavität injiziert wird, in dem das Einlegeteil positioniert ist, während das zumindest eine andere Matrixmaterial an (zumindest einer) weiteren Stelle(n) in den/die Bereich(e) der Kavität injiziert wird, der/die an den Bereich, in dem das Einlegeteil positioniert ist, angrenzt. Dabei werden die Verstärkungsfasern bzw. die Verstärkungsfaser-Anordnung mit den Matrixmaterialien imprägniert und die zumindest zwei benachbarten Abschnitte des Kunststoffbauteils mit unterschiedlicher Schwindung ausgebildet, wobei das Einlegeteil in dem durch das Matrixmaterial mit stärkerer Schwindung ausgebildeten Abschnitt eingebettet wird. Abschließend werden die Matrixmaterialien durch entsprechende Temperierung des Formwerkzeugs ausgehärtet, wobei das Matrixmaterial mit der stärkeren Schwindung auf das Einlegeteil aufschrumpft.The present invention further relates to a method of producing a fiber-reinforced plastic component as described above, comprising first the step of providing reinforcing fibers or a reinforcing fiber assembly in the cavity of a forming tool. Subsequently, at least one insert is positioned in or on the reinforcing fibers or reinforcing fiber assembly in the mold. The next step is to inject at least two hardenable matrix materials differing in their shrinkage behavior into the cavity, the matrix material having the greater shrinkage being injected at at least a first location into a region of the cavity in which the insert is positioned, while the at least one other matrix material is injected at (at least one) further location (s) into the region (s) of the cavity adjacent to the region in which the insert is positioned. In this case, the reinforcing fibers or the reinforcing fiber arrangement are impregnated with the matrix materials and the at least two adjacent sections of the plastic component are formed with different shrinkage, wherein the insert is embedded in the section formed by the matrix material with greater shrinkage. Finally, the matrix materials are cured by appropriate temperature control of the mold, wherein the matrix material shrinks with the greater shrinkage on the insert.
Vorteilhafterweise wird das Injizieren der Matrixmaterialien im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt, so dass sich die Matrixmaterialien in einer Grenzzone zwischen den benachbarten Abschnitten durchmischen.Advantageously, the injection of the matrix materials is carried out substantially simultaneously, so that the matrix materials mix in a boundary zone between the adjacent sections.
Als Alternative zu dem vorstehenden Verfahren offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem zunächst das vorstehend beschriebene Faser-Matrix-Halbzeug in der Kavität eines Formwerkzeugs bereitgestellt wird. Als nächstes folgt der Schritt des Positionierens wenigstens eines Einlegeteils in oder auf einem Abschnitt des Halbzeugs, der durch ein Matrixmaterial mit stärkerer Schwindung ausgebildet wird. Abschließend wird das Halbzeug zu dem Kunststoffbauteil geformt und ausgehärtet, wobei das Matrixmaterial mit stärkerer Schwindung auf das Einlegeteil aufschrumpft.As an alternative to the above method, the invention discloses a method for producing a fiber-reinforced plastic component as described above, in which first the fiber matrix semifinished product described above is provided in the cavity of a molding tool. Next, the step of positioning at least one insert member in or on a portion of the semifinished product formed by a stronger shrinkage matrix material follows. Finally, the semifinished product is molded and cured to the plastic component, wherein the matrix material with higher shrinkage shrinks on the insert.
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. Dabei zeigen:These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. Showing:
Das in
Anschließend wird ein Einlegeteil
Dazu ist es vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Matrixmaterialien kompatibel bzw. mischbar sind. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Matrixmaterialien erreicht werden, die sich lediglich in Art und/oder Menge eines zugesetzten Additivs zur Schwundreduktion unterscheiden. Ferner könnten sich die Matrixmaterialien in der Art und Menge des Härters unterscheiden, der zu einem gemeinsamen Matrixharz gegeben wird. Alternativ können auch verschiedene Matrixharze verwendet werden, denen der gleiche Härter zugesetzt wird.For this it is advantageous if the different matrix materials are compatible or miscible. This can be achieved, for example, by the use of matrix materials which differ only in the type and / or amount of an added additive for shrinkage reduction. Further, the matrix materials could differ in the type and amount of hardener added to a common matrix resin. Alternatively, various matrix resins may be used, to which the same hardener is added.
Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils
Dadurch, dass das in Abschnitt B eingespritzte Matrixmaterial
Das in
Das SMC-Faser-Matrix-Halbzeug liegt meist in Form einer plattenförmigen teigartigen Pressmasse vor, in der die Verstärkungsfasern, meist in Mattenform, seltener in Gewebeform mit typischen Faserlängen von 25 bis 50 mm vorliegen. Die aus den Verstärkungsfasern
Eine kontinuierliche Faseranordnung wie ein Gewebe könnte hingegen abschnittsweise mit den unterschiedlichen Matrixmaterialien imprägniert werden.By contrast, a continuous fiber arrangement such as a woven fabric could be impregnated in sections with the different matrix materials.
Hierdurch bilden sich die Abschnitte A, B, C des Halbzeugs
Beim SMC-Verfahren wird das Faser-Matrix-Halbzeugs
In beiden Verfahren wurde das Aushärten als aktiver Vorgang beschrieben, bei dem die Temperatur und/oder der Druck erhöht wurden. Das Aushärten kann aber auch auf chemischem Wege (bspw. durch Reaktiv-Vernetzer) oder durch Bestrahlung mit Licht erfolgen.In both processes, curing was described as an active process in which the temperature and / or pressure were increased. However, the curing can also be effected by chemical means (for example by reactive crosslinkers) or by irradiation with light.
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| EP0481015B1 (en) | 1989-07-04 | 1995-07-19 | 3-D Composites Limited | Zone stiffened composites, with two different resins |
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2011
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