DE102014220134B4

DE102014220134B4 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Hohlprofilen

Info

Publication number: DE102014220134B4
Application number: DE102014220134.9A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Johan Kalle Keil
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: DE102014220134A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Hohlprofilen (10) mit einem Hauptprofil (12) und Mikrorippen (14), mit den folgenden Schritten:a) Bereitstellen von Mikrorippen (14),b) Erzeugen eines mit den Mikrorippen (14) versehenen Profilkerns (22) durch Bereitstellen eines Kerns (20), um den die Mikrorippen (14) gewickelt werden, sodass sich die Mikrorippen (14) kreuzen, undc) Erzeugen des Faserverbund-Hohlprofils (10) aus für das Hauptprofil (12) vorgesehenen Fasern (16) unter Verwendung des in Schritt b) erzeugten Profilkerns (22), wobei die Mikrorippen (14) in Schritt c) mit den Fasern (16) verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Hohlprofilen.
Hohlprofile aus Faserverbundmaterialien finden im Automobilbau aufgrund ihrer hohen Steifigkeit bei sehr geringem Gewicht immer größere Verwendung.
Durch den Einsatz von Mikrorippen, die an der Innenseite des Hohlprofils vorgesehen sind, kann die Steifigkeit des Hohlprofils weiter vergrößert werden. Jedoch ist eine Fertigung solcher mikrorippenverstärkter Faserverbund-Hohlprofile sehr aufwändig, sodass der Einsatz von mikrorippenverstärkten Faserverbund-Hohlprofilen in der Massenproduktion des Automobilbaus nicht wirtschaftlich möglich ist.
Die EP 1 134 069 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einer faserverstärkten Kunststoffstruktur der Öffnungen aufweist und einen Hauptkörperabschnitt, der im Inneren maximale Breite aufweist, die größer ist als die maximale Breite der Öffnungen. Weiter wird beschrieben, dass der Hohlkörper nach außen weisende Rillen aufweist, um eine höhere Festigkeit und eine verbesserte Steifigkeit zu erreichen.
In der US 2 970 343 A wird eine gewickelte Kunststoffstruktur gezeigt, die durch in der Struktur integrierten Rillen verstärkt ist. Die Struktur wird dabei um einen Dorn gewickelt, der es ermöglicht Rillen an der Kunststoffstruktur vorzusehen. Der Dorn besteht dabei aus einer Vielzahl von Längssegmenten, die nach dem Formen der Kunststoffstruktur zusammengeklappt und von ihr abgezogen werden.
Die WO 2009 / 068 127 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers, bei dem Verstärkungsfasern auf eine den späteren Hohlraum bildende Innenform aufgebracht und mit einem härtbaren Harz imprägniert werden. Anschließend erfolgt ein Aushärten des aufgebrachten Harzes und ein Herauslösen, Herausschmelzen oder Entfernen der Innenform.
Die DE 36 05 256 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung Verbundstücke, bei dem Formstücke für Versteifungsprofile in einer Formmulde angeordnet werden, die in einem darauf aufgetragenen ein Formteil bildenden Kunststoff Aussparungen hinterlassen.
In der DE 10 2012 005 505 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Beplankungsteils gezeigt, bei welchem eine Kunststoff-Formmasse in eine mit Fasermaterial versehene Kavität einer Werkzeugform eingebracht wird und die Oberfläche des Beplankungsteils mit einer Oberflächenstruktur versehen wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mithilfe dessen mikrorippenverstärkte Faserverbund-Hohlprofile wirtschaftlich in großer Stückzahl hergestellt werden können
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Hohlprofilen mit einem Hauptprofil und Mikrorippen, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellen von Mikrorippen,
b) Erzeugen eines mit den Mikrorippen versehenen Profilkerns durch Bereitstellen eines Kerns um den die Mikrorippen gewickelt werden, sodass sich die Mikrorippen kreuzen, und
c) Erzeugen des Faserverbund-Hohlprofils aus für das Hauptprofil vorgesehenen Fasern unter Verwendung des in Schritt b) erzeugten Profilkerns,

Vorzugsweise werden in Schritt c) die Fasern und die Mikrorippen zumindest teilweise gemeinsam mit einem Kunststoff getränkt, wodurch die Fasern und die Mikrorippen auf einfache Weise zu einem Faserverbund-Hohlprofil verbunden werden.
Beispielsweise wird das Faserverbund-Hohlprofil in Schritt c) mittels eines Pultrusionsverfahrens oder eines RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding) erzeugt, sodass bewährte und wirtschaftliche Verfahren der Massenproduktion zum Einsatz kommen.
Die Mikrorippen können in Schritt b) außen am Profilkern angeordnet werden, sodass die Mikrorippen sich leicht mit den Fasern verbinden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der in Schritt b) bereitgestellte Kern aus einem Schaummaterial hergestellt. Auf diese Weise kann der Kern separat hergestellt werden, was die Herstellung des Kerns vereinfacht.
Dabei bezeichnet der Begriff „Kern“ das zur Herstellung des Hohlprofils hilfsweise erzeugte Element, um den herum das Hohlprofil hergestellt wird. Der Begriff „Profilkern“ bezeichnet das Zwischenprodukt aus Mikrorippen und Kern.
In einer Ausführungsvariante werden in Schritt b) die Mikrorippen in eine Form eingelegt, die anschließend ausgeschäumt wird, sodass der Profilkern in einem Prozessschritt erzeugt werden kann.
Dies kann dadurch erfolgen, dass die Mikrorippen kontinuierlich durch eine zu zwei Seiten offenen Form geführt werden, wobei die Mikrorippen an der Innenseite der Form laufen und in der Form kontinuierlich ein Kern erzeugt wird. Dadurch, dass die Form an zwei Seiten geöffnet ist, kann der Profilkern in einem kontinuierlichen Verfahren erzeugt werden.
Vorzugsweise sind in Schritt c) die Fertigungsparameter und/oder die Materialien der Mikrorippen, des Kerns, des Kunststoffes und/oder der Fasern derart gewählt, dass der Kern intakt bleibt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Kern bei der Herstellung des Faserverbund-Hohlprofils nicht kollabiert oder anderweitig versagt.
Der Profilkern kann nach Schritt c) im fertigen Faserverbund-Hohlprofil verbleiben, wodurch auf einen Prozessschritt, bei dem der Profilkern aus dem Faserverbund-Hohlprofil entfernt wird, verzichtet werden kann. So kann der Profilkern zusätzlich zu den Mikrorippen die Festigkeit und das Versagensverhalten des Profils weiter verbessern.
Auch kann der Kern nach Schritt c) entfernt werden, wodurch das Gewicht weiter reduziert wird.
Die Mikrorippen können einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben, sodass sie ein sehr geringes Gewicht haben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mikrorippen Kohlenstoff-, Glas-, Kunststoff- oder Naturfasern auf, sodass die Mikrorippen die Steifigkeit des Faserverbund-Hohlprofils erhöhen.
Die Fasern und/oder die Mikrorippen können eine Kunststoffmatrix aufweisen, sodass sie lediglich miteinander verbunden werden müssen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Faserverbund-Hohlprofil schematisch im Schnitt,
- 2 einen Kern zur Benutzung im erfindungsgemäßen Verfahren schematisch in perspektivischer Ansicht,
- 3 einen Profilkern als Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in perspektivischer Ansicht, und
- 4 ein Faserverbund-Hohlprofil nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in perspektivischer Ansicht.

In 1 ist ein Faserverbund-Hohlprofil 10 im Schnitt dargestellt, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde.
Das gezeigte Faserverbund-Hohlprofil 10 hat ein rechteckiges Hauptprofil 12, an dessen Innenseite Mikrorippen 14 vorgesehen sind.
Das Hauptprofil 12 weist einen Faserverbundwerkstoff auf, der aus Fasern 16 besteht, die mit Kunststoff 18 getränkt wurden, wie im vergrößerten Ausschnitt der 1 zu sehen ist.
Der Kunststoff 18 kann auch die Mikrorippen 14 zumindest teilweise umgeben bzw. können die Mikrorippen 14 auch mit dem Kunststoff 18 getränkt sein, sodass das Hauptprofil 12 und die Mikrorippen 14 ein einstückiges Faserverbund-Hohlprofil 10 bilden.
Sowohl die Fasern 16 als auch die Mikrorippen 14 können Kohlenstoff-, Glas-, Kunststoff- und/oder Naturfasern aufweisen.
Zum Beispiel haben die Mikrorippen 14 einen Durchmesser von weniger als 5 mm und können eine oder mehrere Fasern aufweisen.
Zudem können die Fasern 16 und/oder die Mikrorippen 14 eine Kunststoffmatrix aufweisen. Dabei kann die Kunststoffmatrix vom Kunststoff 18 verschieden sein.
Der Querschnitt des Faserverbund-Hohlprofils 10 wird durch einen Kern 20 ausgefüllt, der beispielsweise aus einem Schaummaterial besteht.
Zur Herstellung des Faserverbund-Hohlprofils 10 wird in einer ersten Ausführungsform der Erfindung zunächst ein Kern 20 bereitgestellt (2).
Anschließend werden die Mikrorippen 14 um den Kern 20 außen herum gewickelt. Dies kann nach einem bestimmten Muster geschehen.
Die Mikrorippen 14 und der mit den Mikrorippen 14 umwickelte Kern 20 bilden nun einen Profilkern 22, wie er in 3 dargestellt ist.
Der Profilkern 22 wird nun verwendet, um das Faserverbund-Hohlprofil 10 herzustellen.
Hierzu eignet sich beispielsweise das Pultrusions- bzw. Strangziehverfahren, bei dem am Profilkern 22 zunächst die Fasern 16 angeordnet werden. Anschließend wird der Profilkern 22 mit den Fasern 16 in das Pultrusionswerkzeug eingeführt und mit einem Kunststoff 18 getränkt, der die Matrix des Faserverbund-Hohlprofils 10 darstellen wird.
Dabei infiltriert der Kunststoff 18 sowohl die Mikrorippen 14 als auch die Fasern 16 und verbindet diese zum Faserverbund-Hohlprofil 10.
Dabei bilden die mit dem Kunststoff 18 infiltrierten Fasern 16 das Hauptprofil 12 des Faserverbund-Hohlprofils 10.
Die Fertigungsparameter, insbesondere die Temperatur des flüssigen Kunststoffes 18, und/oder die Materialien der Mikrorippen 14, des Kerns 20, des Kunststoffes 18 und/oder der Fasern 16, sind dabei derart gewählt, dass sich die Fasern 16 und die Mikrorippen 14 zum Faserverbund-Hohlprofil 10 verbinden und zudem der Kern 20 intakt bleibt, d.h. während der Herstellung des Faserverbund-Hohlprofils 10 nicht kollabiert oder anderweitig versagt.
Das Faserverbund-Hohlprofil 10 ist nun fertiggestellt, wobei der Kern 20 im fertigen Faserverbund-Hohlprofil 10 verbleiben kann.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der beschriebenen ersten Ausführungsform in der Methode zur Erzeugung des Profilkerns 22.
So werden in der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Mikrorippen 14 in eine Form (nicht gezeigt) eingeführt.
Die Form ist an zwei Seiten, einer Einfuhrseite und einer Ausgangsseite, geöffnet und die Mikrorippen 14 werden durch die Einfuhrseite an der Innenseite der Form kontinuierlich durch die Form geführt.
Durch die Einfuhrseite wird ebenfalls kontinuierlich ein Schaummaterial eingeführt, welches in der Form ausschäumt und den Kern 20 bildet. Der Kern 20 füllt die Form zumindest in einem Querschnitt an der Ausgansseite aus.
Der Kern 20 wird zusammen mit den Mikrorippen 14 als Profilkern 22 durch die Ausgangsseite ausgebracht.
Auf diese Weise wird ebenfalls ein Profilkern 22 aus Mikrorippen 14 und Kern 20 erzeugt, der nach dem zur ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahren weiterverarbeitet werden kann.
Die Verwendung des Pultrusionsverfahrens ermöglicht eine sehr wirtschaftliche und kontinuierliche Fertigung des Faserverbund-Hohlprofils 10. Dies gilt insbesondere, wenn der Profilkern 22 durch einen kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugt wird.
Denkbar ist selbstverständlich auch, dass mithilfe des Profilkerns 22 auch auf andere Weise, als der oben beschriebenen, ein Faserverbund-Hohlprofil 10 erzeugt werden kann. Beispielsweise eignet sich hierzu auch ein RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding), dass ebenfalls in der Massenproduktion wirtschaftlich eingesetzt werden kann.
Die beschriebene rechteckige Querschnittsgeometrie des Hauptprofils 12 und somit des Hohlprofils 10 ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Hohlprofile mit anderen, nahezu beliebigen Querschnittsgeometrien lassen sich selbstverständlich auch mit dem beschriebenen Verfahren herstellen.
Ebenso eignet sich das Verfahren für Sandwichprofile, bei denen auf gegenüberliegenden Seiten eines Kerns 20 jeweils ein Hauptprofil 12 und Mikrorippen 14 vorgesehen ist. Entsprechend erstreckt sich der Begriff Faserverbund-Hohlprofil 10 im Zusammenhang dieser Erfindung auch auf Sandwichprofile.
Auch ist es denkbar, dass anstelle eines Schaummaterials für den Kern 20 ein Wachs oder ähnliches verwendet wird. Ebenso sind Wasser-Innendruck-Kerne als Kern 20 geeignet.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Hohlprofilen (10) mit einem Hauptprofil (12) und Mikrorippen (14), mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen von Mikrorippen (14), b) Erzeugen eines mit den Mikrorippen (14) versehenen Profilkerns (22) durch Bereitstellen eines Kerns (20), um den die Mikrorippen (14) gewickelt werden, sodass sich die Mikrorippen (14) kreuzen, und c) Erzeugen des Faserverbund-Hohlprofils (10) aus für das Hauptprofil (12) vorgesehenen Fasern (16) unter Verwendung des in Schritt b) erzeugten Profilkerns (22), wobei die Mikrorippen (14) in Schritt c) mit den Fasern (16) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Fasern (16) und die Mikrorippen (14) zumindest teilweise gemeinsam mit einem Kunststoff (18) getränkt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Faserverbund-Hohlprofil (10) mittels eines Pultrusionsverfahrens oder eines RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) bereitgestellte Kern (20) aus einem Schaummaterial hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Mikrorippen (14) in eine Form eingelegt werden, die anschließend ausgeschäumt wird, sodass ein Kern (20) erzeugt wird und die Mikrorippen (14) und der Kern (20) den Profilkern (22) bilden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Fertigungsparameter und/oder die Materialien der Mikrorippen (14), des Kerns (20), des Kunststoffes (18) und/oder der Fasern (16) derart gewählt sind, dass der Kern (20) intakt bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (20) nach Schritt c) im fertigen Faserverbund-Hohlprofil (10) verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorippen (14) einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorippen (14) Kohlenstoff-, Glas-, Kunststoff- oder Naturfasern aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (16) und/oder die Mikrorippen (14) eine Kunststoffmatrix aufweisen.