DE19625800B4

DE19625800B4 - Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils

Info

Publication number: DE19625800B4
Application number: DE19625800A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Alex; Helmut Dipl.-Ing. Walter; Hartmut Dipl.-Ing. Henkelmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-07-08
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: DE19625800A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils, das aus einem maßgeschneiderten Rohling (4, 14) durch thermisches Umformen hergestellt wird, wobei der Rohling (4, 14) und das aus diesem hergestellte Faser-Kunststoff-Verbundbauteil eine örtlich festgelegte flächige Ungleichverteilung hinsichtlich der Fasern (2, 3, 13) und/oder des Kunststoffs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (4, 14) aus einem Halbzeug (1, 11), das wiederkehrend die flächige Ungleichverteilung aufweist, mit einem Mittel herausgetrennt wird, und dass das Mittel zum Heraustrennen des Rohlings (4, 14) durch eine mechanische, elektrische, optische und/oder magnetische Markierung (6, 18, 19), die in definierter, vorzugsweise gleicher Position zu den herauszutrennenden Rohlingen (4, 14) in dem Halbzeug (1, 11) angeordnet ist, bezüglich des Halbzeugs (1, 11) positioniert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-40 42 063 A1 und der EP-0 369 39 A2 sind faserverstärkte Flächengebilde bekannt, die dreidimensional verformbar und im verformten Zustand durch Aufschmelzen und Abkühlen der in dem Flächengebilde vorhandenen thermoplastischen Fasern fixierbar sind. Aus solchem Halbzeug lassen sich verhältnismäßig schnell und mit nur geringem Aufwand faserverstärkte Formkörper herstellen, wobei das Halbzeug als Stoffbahn, aus der dann einzelne Rohlinge herausgetrennt werden, ausgebildet sein kann. Zum Erreichen besonderer Verstärkungen in dem fertigen Formkörper (Verbundbauteil), kann in dem Flächengebilde eine flächige Ungleichverteilung hinsichtlich der nicht schmelzenden Verstärkungsfasern und/oder des Kunststoffs vorgesehen sein, die derart örtlich festgelegt ist, daß beim Verformen des Flächengebildes die Ungleichverteilung in dem vorgesehenen Bereich liegt. Dieses erfordert eine genaue Positionierung des Flächengebildes in der Umformungsvorrichtung, wodurch ein erheblicher, meist manueller Aufwand notwendig wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die einfache und maschinelle Fertigung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit örtlich festgelegter flächiger Ungleichverteilung, wobei auch das Halbzeug und die Rohlinge günstig herstellbar und leicht handhabbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gelöst mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil aus einem maßgeschneiderten Rohling durch Pressen, Erhitzen und/oder Härten hergestellt. Der Rohling ist aus einem Stoff oder stoffähnlichem Material, der/das beispielsweise aus sogenannten Hybridgarnen, die aus Fasern und Kunststoffilamenten aufgebaut sind, durch beispielsweise Stricken oder Weben oder anderen Verfahren zur Herstellung von Textilien hergestellt wird.

In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "Faser" eine Verstärkungsfaser, die bei der Verarbeitung des Rohlings zum Faser-Kunststoff-Verbundbauteil im wesentlichen nur gestreckt wird und hierbei im wesentlichen keine Veränderung ihres Querschnitts erfährt. Die Faser dient maßgeblich zur Steigerung der Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils und wird als solche im Verbundbauteil wiedergefunden. Die Fasern können gestreckt aber auch in Falten gelegt o.ä. vorliegen, so daß sie bei der dreidimensionalen Verformung des Flächengebildes zumindest teilweise gestreckt werden. Durch das Recken bzw. Strecken oder Umformen tritt im wesentlichen keine Verlängerung der Faser ein. Als Faser eignen sich die üblicherweise in Verbundbauteilen verwendeten Verstärkungsfasern, die je nach Verbundbauteil aus organischem oder anorganischem Material sein können. Für organisches Material kommen hochfeste Polymere zur Anwendung, wie beispielsweise Polyester oder Aramide, ggf. aber auch andere, vorzugsweise hochschmelzende Kunststoffe wie Polysulfone oder auch Polypropylen. Insbesondere kommen jedoch anorganische Fasern zur Anwendung, wie Glasfasern, Kohlenstoffasern (Carbonfasern), Keramikfasern oder auch Metallfasern.

Der Kunststoffanteil, der um die Fasern die Matrix bildet, ist vorzugsweise ein Polyester, PE, PP, PA oder ein anderer Thermoplast, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Fasermaterial. Im Halbzeug oder Rohling liegt der Kunststoff zumindest zu einem solchen Anteil in nicht-konsolidierter Form vor, daß ein Kaltumformen möglich ist, d. h. vorteilhaft als Kunststoffaser. Vorzugsweise liegen die Fasern (Verstärkungsfasern) und die Kunststofffasern als Hybridfaser vor. Durch thermisches Umformen wird aus den Kunststoffasern die Matrix gebildet.

Erfindungsgemäß wird der Rohling aus einem Halbzeug herausgetrennt, das vorzugsweise zweidimensional aufgebaut ist, beispielsweise in Form einer Stoffbahn. Auf dem Halbzeug sind wiederkehrend flächige Ungleichverteilungen zwischen der Faser und dem Kunststoff eingearbeitet, wobei diese flächige Ungleichverteilungen örtlich in dem Rohling festgelegt sind. Sie dienen einer gezielten Beeinflussung des konsolidierten Bauteils, z. B. einer Verstärkung in besonders beanspruchten Zonen des fertigen Verbundbauteils. Zum Heraustrennen des Rohlings aus dem Halbzeug sind Mittel vorgesehen, beispielsweise eine Schneidvorrichtung, die sich an einer in dem Halbzeug untergebrachten Markierung hinsichtlich der Lage der Ungleichverteilung orientiert. Diese Orientierung erfolgt vorteilhaft über die Erkennung mechanischer, elektrischer, optischer und/oder magnetischer Markierungen, die in das Halbzeug eingearbeitet sind. Je nach Lage der Rohlinge in dem Halbzeug kann die Markierung in gleicher Position zu jedem herauszutrennenden Rohling stehen, die Markierung kann jedoch auch die Lage mehrerer Rohlinge definieren. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können auch unterschiedliche Rohlinge auf dem Halbzeug an geordnet sein, wobei deren Lage hinsichtlich der flächigen Ungleichverteilung wiederum von einer oder mehreren, auch unterschiedlichen Markierungen definiert wird.

Das Halbzeug ist derart gestaltet, daß durch eine Überlänge von bei der Vorbereitung nicht schmelzenden (Verstärkungs-)Fasern im Vergleich zu schmelzbaren (Matrix-)Fasern die Umformbarkeit, Tiefziehfähigkeit und Drapierbarkeit der thermoplastischen Matrixfasern im Verarbeitungsprozeß nicht signifikant eingeschränkt wird, da nur die Matrixfasern plastisch verformt, z. B. verstreckt werden, die Verstärkungsfasern dagegen nur ausgerichtet und gestreckt werden.

Die Überlänge bei der Verarbeitung nicht schmelzender (Verstärkungs-)Fasern im Vergleich zu schmelzbaren (Matrix-)Fasern wird durch die Verwendung eines Hybridgarns oder durch Verdrehen, Verzwirnen, Verwirbeln oder Verschlaufen von den parallel zusammengefaßten schmelzbaren und nicht schmelzbaren Fasern realisiert.

Die Konfektionierung jeder einzelnen Lage des Halbzeugs erlaubt es, Faseranteile, Fasertiter Fasermaterialien, Kette/Schluß-Verhältnisse gezielt örtlich zu variieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit pulvrige Zusätze sowie Partikel und Kurzfasern in das Halbzeug einzubringen.

Das Halbzeug ist vor der Verarbeitung als ein- oder mehrlagiges verformbares Gewebe endlos als Bahn oder geometrisch vorkonfektioniert, z. B. als Schlauch, und wird unter dem Einfluß von Wärme und Druck konsolidiert.

In dem Halbzeug sind vor der Konsolidierung im Werkzeug die Verstärkungsfasern und Matrixfasern als Roving, Garn oder Zwirn, allein und/oder zusammengefaßt bzw. vermischt und/oder zur Kennzeichnung/Markierung und/oder zur Beeinflussung von physikalischen Eigenschaften (insbesondere der Duktilität und Zähigkeit) in Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung eingebracht.

Die zur Markierung eingebrachten Fasern unterstützen die Positionierung im Werkzeug und ggf. den Zuschnitt vor und nach der Verarbeitung. Neben einer vorzugsweise optischen oder elektrischen Erkennung von Markierungen z. B. durch entsprechend eingefärbte, elektrisch leitende oder magnetische Fasern läßt sich ein positionsgenaues Trennen vor oder nach der Verarbeitung darüber hinaus beispielsweise durch senkrecht zur (Rollen-)Abzugs- oder Verarbeitungsrichtung eingearbeitete Fasern zum Trennen des Gewebes/Laminates – etwa durch Herausziehen – oder durch Bereiche ohne Fasern in Abzugsrichtung realisieren.

Für eine auf die Geometrie und das Anforderungsprofil des Fertigteils abgestimmte Vorkonfektionierung des Halbzeugs im Bauteil, sind vorzugsweise örtlich verschiedene Fasermaterialien zur Verstärkung/als Matrix eingesetzt, Fasertiter und/oder Kette-Schluß-Anteile können variiert werden, um so im konsolidierten Bauteil gezielt Faserrichtungswinkel, Faservolumenanteile und damit die physikalischen Eigenschaften einzustellen. Es ist u. a. möglich, Bereiche mit konstanter Wandstärke und lokal veränderlichen Faservolumenanteilen, respektive physikalischen Eigenschaften, ebenso wie Bereiche mit lokal veränderlichen Wandstärken und konstanten Faservolumenanteilen/physikalischen Eigenschaften zu realisieren.

Zum Erleichtern des Heraustrennens eines Rohlings aus dem Halbzeug kann das Halbzeug auch so gestaltet sein, daß im Trennbereich im wesentlichen keine Faser eingearbeitet ist. Dies schont beispielsweise Trennmesser, wenn die Fasern mineralisch oder metallisch sind. Außerdem wird es hierdurch möglich, auch wenn die Fasern hochschmelzend sind, den Rohling durch Abschmelzen aus dem Halbzeug heraustrennen. Dies ermöglicht auch den Einsatz eines Widerstandsdrahtes in dem Halbzeug, der mittels Strom derart aufgeheizt wird, daß das Halbzeug um den herauszutrennenden Rohling herum derart erweicht wird, daß dieser leicht heraustrennbar ist. Durch das Abschmelzen (das gegebenenfalls auch anders durchgeführt werden kann) wird außerdem erreicht, daß der herausgetrennte Rohling keine faserigen Kanten hat. Außerdem kann der Widerstandsdraht als elektrische Markierung dienen.

Die Markierung kann in einer weiteren Ausführungsform auch ein Reißdraht sein, der während der Verarbeitung, beispielsweise von einem Haken, erfaßt und unter Heraustrennung des Rohlings aus dem Halbzeug herausgezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Verbundbauteilen, die als Kraftfahrzeugkomponenten Verwendung finden. Dies können beispielsweise Seitenverkleidungen des Innenraums, ein Sitzlehnkörper, ein Fahrwerkslenker oder ein Rad sein. Die Eignung für Kraftfahrzeugkomponenten ist insbesondere dadurch gegeben, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren es ermöglicht wird, großserientauglich Rohlinge mit einer örtlich festgelegten flächigen Ungleichverteilung herzustellen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Figuren näher beschrieben.
Es zeigen
1: ein gewebtes Halbzeug mit flächigen Verstärkungsbereichen; und
2: ein Halbzeug mit faserfreien Trennbereichen.
In einem Halbzeug 1, das als Stoffbahn ausgebildet ist, sind zweierlei Fäden 2 und 3 mit unterschiedlichem Anteil an Verstärkungsfasern verwebt. Alternativ oder zusätzlich kann bei 3 auch dichter gewebt sein. Die Fäden 2 und 3 enthalten oder sind zusammengefaßt mit einem Kunststoffanteil, der durch Wärme und Druckeinwirkung aufschmelzbar ist und nach dem Abkühlen dem Stoffstück eine permanente Form verleiht. Die Verstärkungsfäden 3 liegen in definierten Bereichen hinsichtlich herauszuschneidender Rohlinge 4, wobei bei 5 schon ein Rohling herausgeschnitten ist.
Da die Verstärkungsfäden 3 nicht nur längst sondern lokal unterschiedlich auch quer in das Halbzeug 1 eingewebt sind, können die Rohlinge 4 nicht einfach fortlaufend ausgeschnitten werden, sondern müssen an ganz bestimmten Stellen aus dem Halbzeug 1 herausgetrennt werden. Das maschinelle Erkennen des Trennschnitts erfolgt über optische Markierungen 6, die von der Schneidmaschine optoelektronisch erfaßt werden und die Schnittpositionierung bestimmen. Hierdurch wird erreicht, daß aus einer fortlaufenden Stoffbahn mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen Rohlinge mit immer gleicher Positionierung der Verstärkungsbereiche mit hoher Geschwindigkeit herausgetrennt werden können. Aus den Rohlingen lassen sich dann beispielsweise Türseitenverkleidungen für Kraftfahrzeuge formen.
In 2 sind in einem Halbzeug 11 Verstärkungsfäden 13 eingearbeitet. Die Verstärkungsfäden 13 sind ebenso wie die Verstärkungsfäden 3 und die Fäden 2 aus einem sogenannten Hybridgarn aufgebaut, das verschmelzbare Kunststoffilamente und Verstärkungsfilamente enthält. Als Begrenzung des Rohlings ist ein Widerstandsdraht 17 eingearbeitet, dessen Enden 18 und 19 als Schleifkontakte ausgebildet sind. Die Enden 18 und 19 sind dabei derart versetzt angeordnet, daß sie mit entsprechend versetzt angeordneten Schleifern 20 und 21 einer Stromquelle gleichzeitig in Kontakt kommen, ohne diese kurzzuschließen. Bei einem Transport des Halbzeugs 11 in Pfeilrichtung kommen die Enden 18 und 19 des Widerstandsdrahtes 17 mit den Schleifern 20 und 21 in Kontakt, wodurch der Widerstandsdraht 17 derart erhitzt wird, daß der Rohling 14 aus dem Halbzeug 11 herausfällt (bei 15). Hierdurch wird ein Rohling 14 mit verschmolzenen Kanten erzeugt, die ein leichteres Handling ermöglichen. Die Weiterverwendung des Rohlings kann wie oben beschrieben erfolgen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils, das aus einem maßgeschneiderten Rohling (4, 14) durch thermisches Umformen hergestellt wird, wobei der Rohling (4, 14) und das aus diesem hergestellte Faser-Kunststoff-Verbundbauteil eine örtlich festgelegte flächige Ungleichverteilung hinsichtlich der Fasern (2, 3, 13) und/oder des Kunststoffs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (4, 14) aus einem Halbzeug (1, 11), das wiederkehrend die flächige Ungleichverteilung aufweist, mit einem Mittel herausgetrennt wird, und dass das Mittel zum Heraustrennen des Rohlings (4, 14) durch eine mechanische, elektrische, optische und/oder magnetische Markierung (6, 18, 19), die in definierter, vorzugsweise gleicher Position zu den herauszutrennenden Rohlingen (4, 14) in dem Halbzeug (1, 11) angeordnet ist, bezüglich des Halbzeugs (1, 11) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (4, 14) an Trennbereichen aus dem Halbzeug getrennt wird, an denen im Wesentlichen keine Faser eingearbeitet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heraustrennen des Rohlings (4, 14) durch ein Abschmelzen des Rohlings (4, 14) aus dem Halbzeug (1, 11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in das Halbzeug (1, 11) ein Widerstandsdraht (17) eingebracht ist, der zum Abschmelzen des Rohlings (4, 14) aus dem Halbzeug (1, 11) mit einem solchen Strom beaufschlagt wird, dass der Widerstandsdraht (17) eine Temperatur erreicht, die genügend hoch ist, um das Abschmelzen zu unterstützen oder zu vollziehen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht (17) die elektrische Markierung (18, 19) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rohling (4, 14) eine Kraftfahrzeugkomponente geformt wird, insbesondere eine Seitenverkleidung des Innenraums, ein Sitzlehnenkörper, ein Fahrwerkslenker oder ein Rad.