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DE19608127B9 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Kraftfahrzeugbodens aus Faserverbund, bestehend aus einer in den Bereichen erhöhter Belastung örtlich verstärkten Grundstruktur aus übereinander liegenden Langfaserlagen, die zu einem Faserhalbzeug miteinander vernäht und anschließend in einem Preßformwerkzeug unter Druck- und Wärmeeinwirkung zum fertigen Faserverbundbauteil konsolidiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Langfaserlagen (4) im unvertormten Zustand mit örtlichen Verstärkungsteilen (6.5, 6.6) aus nicht-faserverstärktem Material versehen und gemeinsam mit diesen zu einem planaren, integralen Faserhalbzeug (2) vernäht werden und daß das Faserhalbzeug (2) in den Bereichen starker Verformung durch örtliches Vernadeln (10) mit einer Kurzfaserstruktur versehen wird und daß anschließend das Faserhalbzeug als Ganzes in dem Preßformwerkzeug (12) in die dreidimensionale Bauteilgeometrie umgeformt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Kraftfahrzeugbodens aus Faserverbund, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist bekannt, ausgedehntere tragende Wandstrukturen, etwa Kraftfahrzeugböden oder ähnliche, dreidimensional geformte Fahrzeugteile, aus Gewichtsgründen aus Langfaserverbundwerkstoff mit örtlichen Verstärkungen in den Bereichen erhöhter Belastung herzustellen, Dabei muß bei der Umformung und Konsolidierung des Faserverbundmaterials darauf geachtet werden, daß die Faserstruktur von festigkeitsmindernden Faserdesorientierungen freigehalten und eine innige Bindung der Faserlagen untereinander und zu den Verstärkungsteilen gewährleistet wird. Um dies sicherzustellen, werden die Langfaserlagen jeweils einzeln oder in dünnen Schichten nacheinander an das Formwerkzeug angeformt und an vorgegebenen Stellen des so entstehenden Faeerlagenaufbaues werden die örtlichen Verstärkungen beigefügt, bevor das Faserlaminat dann unter Wärme- und Druckeinwirkung konsolidiert wird. Eine solche Herstellungsweise ist mit einem so großen Fertigungsaufwand verbunden, daß sie in der Praxis nur in beschränktem Umfang für hochwertige Bauteile in relativ geringen Stückzahlen Verwendung findet, für eine kostengünstige Großserienfertigung aber ungeeignet ist.
  • Die DE 41 39 523 A1 beschreibt ein Verfahren, mit dem Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen herstellbar sind, die hochintegral sind, d.h. mit individuellen Profilaussteifungen ausgeführt sind. Es wird ein Vorformling erzeugt, dessen Form bereits der des Hauteils entspricht. Zur Erzeugung eines solchen dreidimensionalen Vorformlings werden die verstärkungsstoffe für Versteifungen mit den Verstärkungsstoffen für die flachen Hauteile vor dem Einbringen in das Formstück vernäht. Dieser dreidimensionale Vorformling ist dann in die Preßform einzubringen, um die Verbundstruktur zu erzeugen.
  • Einen solchen Vorformling bereits vor Bearbeitung mit der Preßform in eine maßstabsgetreue, dreidimensionale Gestalt zu bringen, ist aufwendig und erfordert beispielsweise bei einer lagenweisen Lagerung oder einem Transport eine erhöhte Sorgfalt, um Verschiebungen in der Struktur des Vorformlings zu vermeiden. Das erweist sich als äußerst nachteilig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Fertigungsaufwand wesentlich verringert und dadurch eine kostengünstige Großserienfertigung von räumlich geformten, örtlich verstärkten Langfaserverbundbauteilen ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß werden die Langfaserlagen und die örtlichen Verstärkungen vor der räumlichen Verformung in einem ersten Verfahrensschritt durch automatisiertes Vernähen miteinander zu einer integralen planaren Faserstruktur verbunden, die als Faserhalbzeug gehandhabt werden kann. Anschließend wird das Formverhalten des Faserhalbzeugs verbessert, indem es in Bereichen starker Verformung durch örtliches Vernadeln mit einer Kurzfaserstruktur versehen wird und dann in einem weiteren Verfahrensschritt als Ganzes, ähnlich einfach wie bei der spanlosen Kaltverformung von metallischen Blechteilen, maschinell in einem Preßformwerkzeug in die endgültige räumliche Hauteilgeometrie umgeformt und anschließend konsolidiert wird. Dabei wird durch die gegenseitige textile Bindung der einzelnen Faserlagen und örtlichen Verstärkungsteile sichergestellt, daß das entstehende Faserhalbzeug bei der Umformung und Konsolidierung von störenden Faserverschiebungen oder anderen Desorientierungen im Faserlagenaufbau freigehalten wird. Aufgrund des geringen Herstellungsaufwandes und der weitgehenden Automatisierbarkeit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in hervorragender Weise für eine kostengünstige Großserienfertigung von qualitativ hochwertiger, räumlich geformten Langfaserverbundbauteilen, etwa Bodengruppen im Kraftfahrzeugbau.
  • Wahlweise oder zusätzlich können, wie gemäß Anspruch 2 bevorzugt, als örtliche Verstärkungen metallische, durch Vernähen an den Langfasern fixierte Versteifunge- oder Befestigungselemente vorgesehen werden.
  • Im Rahmen der Erfindung lassen sich sowohl duromere als auch thermoplastische Matrixsysteme verwenden. Entsprechend einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 kann das Faserhalbzeug im trockenen Zustand vernäht werden und durch Naßimprägnieren vor dem Einlegen in das Preßformwerkzeug (12) oder im Wege der Herzinjektion innerhalb des Preßformwerkzeugs matrixdurchtränkt werden.
  • Bei Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems hingegen wird dieses dem Faserhalbzeug gemäß Anspruch 4 vorzugsweise vor dem Vernähen in Form von thermoplastischen Faseranteilen zugemischt.
  • Im Hinblick auf eine last- und faserverbundgerechte Ausgestaltung wird das Faserhalbzeug ferner nach Anspruch 5 zweckmäßigerweise mit unterschiedlichen Fasersorten und -orientierungen gefertigt.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
  • 1 ein planares, integrales Faserhalbzeug zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbodens mit örtlichen Verstärkunggen und abschnittsweise unterschiedlichen Faser-Hauptorientierungen;
  • 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der 1 im Bereich einer Aufdoppelung;
  • 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der 1 im Bereich eines metallischen Befestigungselements;
  • 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der 1 im Bereich einer Sandwichzone;
  • 5 eine Imprägniervorrichtung für das Faserhalbzeug und ein nachgeschaltetes Preßformwerkzeug zum Umformen und Konsolidieren; und
  • 6 die Faserverbund-Bodengruppe im fertiggestellten Zustand.
  • 1 zeigt ein Faserhalbzeug 2 für eine Kraftfahrzeug-Bodengruppe, welches aus einer Vielzahl von eben übereinandergelegten, textilen Gewebezuschnitten 4 aufgebaut ist und eine multiaxiale Faserorientierung besitzt, wobei die einzelnen, in 1 strichpunktiert berandeten Bereiche des Faserhalbzeugs 2 jeweils unterschiedliche Faser-Vorzugsrichtungen haben. So werden für den mittleren Bereich des Faserhalbzeugs 2, der in der fertigen Bodengruppe den Bodentunnel bildet, vorwiegend Gewebelagen mit einer in Längsrichtung unidirektionalen Faserorientierung 4A gewählt, während die seitlichen Randbereiche, die die Schwel ler ergeben, hauptsächlich aus Gewebelagen mit einer sich kreuzenden, zur Längsrichtung des Faserhalbzeugs 2 unter ± 45° geneigten Faserorientierung 4B und die dazwischenliegenden Abschnitte des Faserhalbzeugs 2, also die pedal-, sitz- und koffenaumseitigen Bodenteile des herzustellenden Bauteils, vornehmlich aus Gewebelagen mit einer in Querrichtung unidirektionalen Faserrichtung 4C aufgebaut sind.
  • Aus Festigkeits- und Gewichtsgründen sind die Gewebelagen 4 aus Carbonfasern hergestellt, denen in bestimmten Bereichen, wo ein örtlich erhöhtes Elastizitäts- oder Stoßabsorptionsverhalten gefordert wird, Glas- bzw. Aramidfaseranteile zugemischt sind. Bei Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems enthalten die Gewebe 4 ferner thermoplastische Faseranteile in gleichförmiger Verteilung. Kommt hingegen – wie bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel – ein duromeres Matrixsystem zur Anwendung, so wird das Faserhalbzeug 2 aus trockenen Gewebelagen 4 aufgebaut. Statt dessen können gewünschtenfalls aber auch vorimprägnierte Gewebezuschnitte, sog. Prepregs, verwendet werden.
  • Komplettiert wird das Faserhalbzeug 2 durch örtliche, lastspezifisch gestaltete Verstärkungsteile 6, die an den Stellen erhöhter mechanischer Beanspruchung der Bodengruppe zwischen oder auf den Gewebelagen des Faserhalbzeugs 2 angeordnet werden. So wird das Faserhalbzeug 2 z. B. im Bereich des Sitzbodenteils mit in Längsrichtung rippenförmig verlaufenden Fasergestricken 6.1 zur Erhöhung der lokalen Biegesteifigkeit und am koffenaumseitigen Ende mit textilen Vorformlingen 6.2 zur örtlichen Krafteinleitung belegt, und im Bereich des Pedalbodenteils sind den Gewebelagen Aramidstreifen 6.3 zur Verbesserung des Stoßabsorptions- und Zähigkeitsverhaltens beigefügt, Weiterhin wird die Mittelzone des Faserlagenaufbaues 4 durch eine Aufdoppelung 6.4 aus Faserlagen, die eine quasi-isotrope, in Längsrichtung und unter ± 45° verlaufende Faserorientierung 4D besitzen, örtlich verstärkt (2), und im Bereich des Sitzbodenteils werden im Faserlagenaufbau 4 metallische Anschlußelemente 6.5 für spätere Schraubverbindungen eingebettet (3). Wie für den koffenaumseitigen Abschnitt des Faserhalbzeugs 2 und im einzelnen in 4 dargestellt, können ferner zwischen die Gewebelagen 4 Schaumstoffeinlagen oder Abstandsgewebe 6.6 eingefügt werden, um der fertigen Bodengruppe eine örtliche Sandwichstruktur zu verleihen.
  • Das so aufgebaute textile Gebilde wird anschließend, wie in 1 durch das Bezugszeichen 8 angedeutet, zusammen mit den örtlichen Verstärkungsteilen 6 maschinell unter Beibehalt der planaren Schichtung zu dem integralen Faserhalbzeug 2 vernäht, wodurch sämtliche Verstärkungsteile 6 und Gewebezuschnitte 4 zueinander und in ihrer Faserorientierung sicher fixiert werden, so daß sich das Faserhalbzeug 2 als Ganzes ohne die Gefahr störender Faserverschiebungen oder anderer Fehlorientierungen problemlos transportieren, lagern und schließlich in die endgültige dreidimensionale Bauteilgeometrie umformen und konsolidieren läßt. Einzelne Verstärkungsteile, wie etwa die metallischen Befestigungselemente 6.5 oder die Abstandsgewebe 6.6 werden natürlich nur randseitig mitvernäht.
  • In einem Zwischenschritt wird das Faserhalbzeug 2 noch an den Stellen stärkerer räumlicher Formänderung vernadelt, so daß die Langfaserlagen örtlich eine Kurzfaserstruktur erhalten, wie dies in 1 durch die Vernadelungszonen 10 angedeutet ist.
  • Das duromere Matrixsystem wird dem Faserhalbzeug 2 entweder im Wege der Harzinjektion innerhalb des Preßformwerkzeugs 12 (5) oder aber an einer diesem vorgeschalteten Imprägnierstation 14 zugegeben, wo das Faserhalbzeug 2 beidseitig mit einer über Preßwalzen 16 angedrückten Harzfolie 18 belegt und/oder mittels einer Sprühvorrichtung 20 mit Flüssigharz imprägniert wird, bevor es als Ganzes in das Preßformwerkzeug 12 eingelegt und beim Schließen desselben in die räumliche Bauteilgeometrie umgeformt und dann unter Druck- und Wärmeeinwirkung konsolidiert wird.
  • In 6 ist die auf diese Weise fertiggestellte Kraftfahrzeug-Bodengruppe mit Abgastunnel 22, Schwellern 24, Pedalboden 26, Sitzboden 28 und kofferraumseitiger Abschlußwand 30 einschließlich der örtlichen Verstärkungsteile 6 und der entsprechenden Faser-Vorzugsrichtungen dargestellt.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Kraftfahrzeugbodens aus Faserverbund, bestehend aus einer in den Bereichen erhöhter Belastung örtlich verstärkten Grundstruktur aus übereinander liegenden Langfaserlagen, die zu einem Faserhalbzeug miteinander vernäht und anschließend in einem Preßformwerkzeug unter Druck- und Wärmeeinwirkung zum fertigen Faserverbundbauteil konsolidiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Langfaserlagen (4) im unvertormten Zustand mit örtlichen Verstärkungsteilen (6.5, 6.6) aus nicht-faserverstärktem Material versehen und gemeinsam mit diesen zu einem planaren, integralen Faserhalbzeug (2) vernäht werden und daß das Faserhalbzeug (2) in den Bereichen starker Verformung durch örtliches Vernadeln (10) mit einer Kurzfaserstruktur versehen wird und daß anschließend das Faserhalbzeug als Ganzes in dem Preßformwerkzeug (12) in die dreidimensionale Bauteilgeometrie umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als örtliche Verstärkungen metallische, durch Vernähen an den Langfaserlagen (4) fixierte Versteifungs- oder Befestigungselemente (6.5) vorgesehen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserhalbzeug (2) im trockenen Zustand vernäht und durch Naßimprägnieren vor dem Einlegen in das Preßformwerkzeug (12) oder im Wege der Harzinjektion innerhalb des Preßformwerkzeugs matrixdurchtränkt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserhalbzeug (2) als Matrix thermoplastische Faseranteile enthält.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserhalbzeug (2) mit unterschiedlichen Fasersorten und -orientierungen gefertigt wird.
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