DE102011120903A1

DE102011120903A1 - Faserverbund-Halbzeug und Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen

Info

Publication number: DE102011120903A1
Application number: DE102011120903A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wieser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft flächige steife Faserverbundbauteile mit angespritzten Funktionselementen. Durch die erfindungsgemäße Vorkonfektionierung des Halbzeugs und Prozessführung lassen sich dünnwandige flächige Bauteile mit Funktionselementen kostengünstig in großen Serien herstellen.

Description

Stand der Technik und Nachteile des Standes der Technik:
Spritzgießfähige kurzfaserverstärkte Thermoplaste sind weit verbreitete Werkstoffe z. B. im Maschinenbau, in der Automobiltechnik und in der Elektrotechnik. Dabei werden durch das Spritzgießverfahren kostengünstig auch komplexe Formgebungen ermöglicht und dadurch vor allem auch Großserienanwendungen erschlossen. Überwiegend glasfaserverstärkte Formmassen, in den letzten Jahren aber jedoch auch vermehrt kohlefaser- und naturfaserverstärkte Typen, werden in großen Mengen eingesetzt. Werden allerdings noch höhere Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften gefordert, können diese nur durch endlosfaserverstärkte Bauweisen erzielt werden. Trotz intensiver Anstrengungen in der Materialentwicklung, z. B. durch den vermehrten Einsatz von Kohlenstofffasern (CF) oder durch sogenannte langfaserverstärkte Compounds mit Ausgangsfaserlängen von ca. 10 mm für das Spritzgießen bleibt das Leistungsniveau der aus kurzfaserverstärkten Formmassen gefertigten Bauteile deutlich hinter dem von Bauteilen mit gerichteten Endlosfasern zurück.
Die mit Endlosfasern aus Glas oder Kohlenstoff verstärkten Kunststoffe (GFK, CFK) verfügen aufgrund ihres herausragenden Eigenschaftsprofils über ein hohes Potenzial in hochbelasteten Anwendungen. Verbundwerkstoffe dieser Art können entweder eine duroplastische oder eine thermoplastische Matrix besitzen. Sie sind mit Endlosfasern in Form von Gelegen (eine oder mehrere unidirektionale Faserlagen), Geweben, Gefechten, Gewirken, Gestricken oder durch vliesartige Matten oder auch lokal durch Rovings verstärkt. Sie können mittels bekannten Prozessen wie Pressen (Prepregs, Organobleche glasmattenverstärkte Thermoplaste), Vakuuminjektionsverfahren oder im Resin Transfer Moulding (RTM) bzw. einem artverwandten Verfahren zu Struktur- und Leichtbauteilen verarbeitet werden. Diese Bauteile bzw. Werkstoffe erfüllen höchste Anforderungen an die Steifigkeit sowie die Ermüdungs-, Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit. Gegenüber Verbundmaterialien mit duroplastischer Matrix zeichnen sich solche mit thermoplastischer Matrix durch eine höhere Energieaufnahmefähigkeit, bessere Schlagzähigkeit und ein hohes Recyclingpotenzial aus. Weiterhin ergibt sich eine wesentlich höhere Effizienz bei der Bauteilfertigung, da die Zykluszeiten bei der Thermoplastverarbeitung deutlich niedriger sind als bei den chemisch vernetzenden Harzen. Diese Vorteile haben in den letzten Jahren zu einem vermehrten Einsatz von sogenannten Organoblechen und anderen endlosfaserverstärkten Werkstoffen in kleinen und mittleren Serienanwendungen geführt. Sie sind vor allem besonders attraktiv für Leichtbauanwendungen, die in der Fläche eine hohe Steifigkeit und Festigkeit erfordern. Die heute zur Verfügung stehenden Verarbeitungsprozesse limitieren die Komplexität der herstellbaren Bauteile und damit auch die Produktivität hinsichtlich einer Anwendung in hohen Stückzahlen. Die kostengünstige Realisierung von spritzgießtypischen Funktionselementen wie Rippen, Schraubdomen und Schnapphaken ist damit bislang nur sehr eingeschränkt möglich.
Um dieses Problem zu lösen und die Anforderungen zu realisieren wurden bereits Ansätze verfolgt, Organobleche in Form von thermoplastischen Halbzeugen in Spritzgießwerkzeuge einzulegen und mit spritzgießfähigen Formmassen Funktionselemente zu umspritzen [ DE202006019341U1 , DE102010019625A1 ] oder nachträglich z. B. durch Umfalzen verbundene Hybridbauteile herzustellen [ DE202009012432U1 ]. Es handelt sich dabei um Glas-, Kohle- oder auch Aramidfasergewebe, die von thermoplastischer Matrix umgeben sind und durch Umformverfahren in eine gewünschte Form gebracht werden, bevor sie ins Spritzgießwerkzeug eingebracht werden. Teilweise werden der Umformvorgang für das Halbzeug und der Spritzgießvorgang in einem Prozess integriert [ DE102007036660A1 ]. Hierzu wird ein erwärmtes und vorkonsolidiertes Organoblech mit thermoplastischer Matrix in eine Spritzgießform eingelegt und mittels unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Thermoplasten z. B. Rippenstrukturen und Schraubdome angespritzt, wobei das Organoblech im Spritzgießwerkzeug durch den Spritzdruck der Schmelze umgeformt und in Form gebracht wird.
Wesentliche Nachteile aller bisher bekannten Materialkombinationen und Verfahren unter Verwendung von Organoblechen bestehen darin, dass die verwendeten thermoplastimprägnierten Gewebe relativ dick sind und dass sie in ihrer Herstellung aufwändig und damit schon die Halbzeuge teuer sind. Durch die Dicke der Gewebe werden entweder die Formteile dickwandig oder die Rippenstrukturen und Dome können nicht vollflächig, sonder nur lokal angespritzt werden. Damit verbunden ist die Notwendigkeit sehr hohe örtliche Verbundfestigkeiten zwischen den eingelegten Halbzeugen und den aufgespritzten funktionellen Strukturen zu erzielen. Die hohe spezifische Verbundhaftung ist unter anderem deshalb notwendig, weil die funktionellen Strukturen nur lokal mit kleinen Kontaktflächen angespritzt werden und nur einseitig an der Faserverbundstruktur angebunden sind und somit die Grenzflächen von den Rändern her starken Schälbeanspruchungen unterliegen. Weiterhin sind durch diese Asymmetrie des Aufbaus der Strukturen unterschiedliches Schwindverhalten und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der beiden Seiten der Schalenstruktur unvermeidlich. Dies hat bereits zu Lösungsvorschlägen hinsichtlich eines Verbundwerkstoffs mit reduzierten Ausdehnungskoeffizienten geführt [ DE102009016213A1 ]. Dies führt unter thermischer Bauteilbelastung zu starken Formänderungen ähnlich einem Bimetallstreifen, was sich insbesondere bei vorwiegend flächigen Strukturen mit geringer Gesamtbauteiltiefe bemerkbar macht. Damit eignen sich diese bekannten Technologien vor allem für massive Konstruktionen und die Substitution von Aluminium-Druckgussteilen oder dickwandigeren Blechprägeteilen. Damit können flächige Bauteile von geringen Wandstärken mit hohen Steifigkeitsanforderungen und hoher Funktionsintegration bei gleichzeitig engen Kostenvorgaben von den bisherigen Lösungsansätzen nicht zufriedenstellend gelöst werden. Die Probleme und Nachteile der asymmetrischen einseitigen Faserverbundeinlagen können durch einen annähernd symmetrischen Sandwichaufbau der Strukturen, d. h. eine beidseitige oberflächennahe Einbringung von Faserverbundstrukturen in die Bauteile behoben werden. Das beidseitige Einbringen von dünnen verstärkenden Halbzeugen in das Spritzgießwerkzeug ist jedoch mit hohem Aufwand und ungelösten Problemen hinsichtlich einer prozesssicheren Formfüllung zwischen die Verstärkungslagen hinein verbunden und wird daher heute in der Praxis nicht umgesetzt.
Vorgeschlagene Lösung
Um dünne, sehr steife und annähernd dickensymmetrische Sandwichbauteile prozesssicher und kostengünstig herstellen zu können, wird erfindungsgemäß die Herstellung und Verwendung eines vorkonfektionierten Faserverbund-Halbzeugs in Form einer Tasche (1) bzw. eines Kissens (2) vorgeschlagen. Die Außenkontur ist dabei beliebig der gewünschten Bauteilkontur anpassbar. Sie könnte auch rund, mehreckig, parallelogrammartig sein und auch Durchbrüche bzw. Öffnungen im Inneren der Fläche aufweisen, wie ein Rahmen. 3 zeigt in A, B, C verschiedene Beispiele von Bauteilkonturen. Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf solche Konturen beschränkt, sondern auf jegliche Art von flächigem Bauteil anwendbar. Auch gekrümmte Flächen sind darstellbar
Das erfindungsgemäße Halbzeug in Form einer Tasche (10) oder eines Kissens (20) besteht aus zwei Deckschichten (11, 12) bzw. (21, 22) bzw. Schichten eines herkömmlichen Faserverbundhalbzeugs. Die zur Verwendung kommenden Faserverbundhalbzeuge können entweder eine duroplastische oder eine thermoplastische Matrix besitzen und mit Endlosfasern in Form von Gelegen (eine oder mehrere unidirektionale Faserlagen), Geweben, Gefechten, Gewirken, Gestricken oder durch vliesartige Matten oder auch lokal durch Rovings verstärkt sein. Die verwendeten Fasern können Glas-, Kohlenstoff- oder organische Fasern wie Aramid oder auch Naturfasern sein. Auch dünne metallische Bleche sind in den beiden Deckschichten möglich.
Die beiden Schichten der Tasche oder des Kissens können in verschiedenen Dicken und Laminatlagen ausgeführt sein. Vorzugsweise weisen beide Schichten ähnliche Dicken und Aufbauten auf, um ähnliche Steifigkeiten und Ausdehnungskoeffizienten zu gewährleisten und unerwünschten Verzug zu vermeiden. Typische Dicken d (siehe 1) einer Schicht der Tasche bzw. des Kissens (eine Seite) wären z. B. 0,1 bis 2,5 mm besonders bevorzugte Dicken sind 0,2 bis 1 mm. Auf der Außenseite einer oder beider Deckschichten kann zusätzlich eine dünne Schicht oder Folie mit hoher Oberflächenqualität oder einem Dekor aufgebracht sein. Das können Schichten oder Folien z. B. mit Hochglanzoberflächen oder strukturierte Oberflächen mit einer Narbung sein. Auf der Innenseite kann eine Trennschicht oder Trennfolie vorliegen, um eine Verbindung der beiden Schichten z. B. bei einem dem Spritzgießen vorgeschalteten Thermoform- oder Umformprozess zu verhindern.
Zur erfindungsgemäßen Konfektionierung einer solchen Tasche/Kissen werden zwei Lagen des Faserverbundwerkstoffs lose, d. h. ohne flächige Verbindung aufeinandergelegt und an den Rändern miteinander verbunden, so dass eine an mehreren Seiten, z. B. an vier Seiten verbundenes Kissen (2) oder eine an drei Seiten verbundene Tasche entsteht (1). Die Verbindung (25) am Rand der Faserverbundhalbzeuge (10, 11) bzw. (21, 22) kann z. B. durch einen Schweißprozess oder eine Haftklebung oder ein mechanisches Umbördeln oder eine sonstige Fügetechnologie erfolgen. Beispielhaft ist in (5) eine punktuelle Schweißung (52) dargestellt.
Vor oder nach der Verbindung zu dem erfindungsgemäßen Halbzeug können die beiden aufeinanderliegenden Schichten in einem Umformprozeß vorgeformt werden. Insbesondere kann eine gemeinsame Umformung beider Schichten in einem Werkzeug erfolgen, wobei eine Verschiebung der Schichten zueinander erleichtert und ein Verbinden der Schichten im Umformprozess verhindert werden kann, indem z. B. bereits vorher bei der Konfektionierung eine Trennfolie zwischen den Schichten angeordnet wird.
Durch diese Konfektionierung als Tasche oder Kissen wird ein Einspritzen zwischen die Verstärkungslagen ermöglicht. Es können z. B. Film-, Fächer- und Punktanschnitte an der offenen Stirnseite des Halbzeugs realisiert werden (siehe 1), um von der Seite zwischen die beiden Verstärkungslagen einspritzen zu können. Weiterhin können auch mittig gelegene Anschnitte verwendet werden. Durch eine Öffnung hindurch (siehe 2) kann die Formmasse injiziert werden und den Zwischenraum im Inneren zwischen den Hlabzeugschichten von innen nach außen durchströmen, was Vorteile hinsichtlich einer Verhinderung einer möglichen Verschiebung der Tasche/des Kissens bietet, den Aufwand zur Positionierung und Fixierung der Einleger im Werkzeug deutlich verringert und den Fließweg der Schmelze verkürzt.
Wesentlich bei der Verbindung der beiden Halbzeugschichten zu dem erfindungsgemäßen Halbzeug ist, dass die Verbindung den Rand der Tasche bzw. des Kissens nicht dicht verschließt, sondern die von der in den Zwischenraum eindringenden Schmelze verdrängte Luft nach den Rändern hin zwischen den beiden Deckschichten (21, 22) entweichen lässt. Dies geschieht erfindungsgemäß z. B. durch eine punktuelle Verbindung (41) oder eine in unterbrochener Linie (42) ausgeführte Verbindung (4). Das kann z. B. eine unterbrochene Schweißung oder Verklebung sein. Alternativ kann auch eine mechanische Verbindung oder Fügung z. B. in Form einer Umbördelung dergestalt erfolgen, dass sich eine luftdurchlässige Verbindung ergibt.
Darüber hinaus sollte die Fügeverbindung zwischen den beiden Deckschichten bevorzugt so ausgelegt sein, dass sie sich durch den Druck der anströmenden Schmelzefront während des Injektionsvorgangs leicht öffnet. Die kann z. B. durch leichtes Haftkleben oder punktuelles Anheften bei niedriger Schweißtemperatur und wenig Schweißdruck beim Herstellen der erfindungsgemäßen Tasche oder des Kissens realisiert werden. Wesentlich ist, dass sich die Fügestellen während des Einströmens der Kunststoffschmelze in den Spalt zwischen den beiden Deckschichten lösen und eine ungehinderte Anlage der Deckschichten an der jeweiligen Werkzeugwand zulassen.
Alternativ zum direkten Aufeinanderlegen der beiden Deckschichten können diese vollflächig oder zumindest im Umfeld der Einspritzöffnung mit Abstandhaltern verbunden sein, so dass sich zwischen den Deckschichten ein definierter Spalt ergibt.
Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Halbzeugtasche wird die an drei Seiten geheftete und an einer Seite offene Tasche in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und seitlich in die vorgesehene Öffnung hinein angespritzt (1). Das erfindungsgemäße Halbzeug ermöglicht das Platzieren und Fixieren auf nur einer Werkzeughälfte, wodurch der Prozess sicherer und der Handlingsaufwand deutlich reduziert sowie der Einlegevorgang erheblich beschleunigt wird.
In einer weiteres Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs kommt die allseitig am Umfang geheftete Tasche (wie ein dünnes Kissen) zum Einsatz. Diese Ausführungsform hat insbesondere Vorteile beim mittigen Anspritzen des Formteils (2).
Durch geschicktes Ausstanzen der Einspritzöffnung und gleichzeitiges Umformen des ausgestanzten Bereiches (51) zwischen die beiden Deckschichten (21,22) hinein kann eine Trennung bzw. ein mittiges Abheben der beiden Deckschichten erfolgen und damit ein Spalt für das Eindringen der Schmelze geschaffen werden (siehe 5). Bei dieser Variante könnte z. B. ein Heißkanalsystem mit Nadelverschlussdüse zum Einsatz kommen. Dabei sollte vorzugsweise die Einspritzdüse in die Folientasche zwischen die Folienlagen hineinragen und um die Düse herum abschließen.
Durch unterschiedliche Arten des „Anheftens” der beiden Folienteile an den Rändern bei der Vorkonfektionierung kann der Füllvorgang und das Öffnen der Folientasche durch die einströmende Schmelze gesteuert werden. Eine ausreichende Entlüftung während der Füllung wird gewährleistet, indem die Ränder nur partiell angeheftet werden, so dass ausreichend große Entlüftungsspalte verbleiben (4).
Das Anspritzen von Funktionselementen wie Rippen, Schnapphaken und Domen wird ermöglicht, indem die dem anzuspritzenden Funktionselement zugewandte Deckschicht an der entsprechenden Steile (61, 62) durchgestanzt wird (6). Vorteilhaft ist auch hier eine Ausbildung mit einem Abstandhalter wie 51 in 5 für die Einspritzöffnung beschrieben.
Im Spritzgießprozess werden die ins Werkzeug eingeführten Decklagen des taschenartigen Halbzeugs durch den Druck der strömenden Schmelze auseinandergedrückt und an die Werkzeugwand gepresst. Anschließend werden die Formhohlräume im Werkzeug (65, 66), die die Funktionselemente wie Schraubdome (67) oder Schnapphaken (68) oder Rippen bilden gefüllt.
Dadurch wird ein Füllen der Funktionselemente von innen – durch die Verstärkungslage, d. h. Deckschicht hindurch – ermöglicht. Durch die formschlüssige Verbindung der hochverstärkten Deckschichten mit der eingespritzten Formmasse ergeben sich sehr hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte für die Anbindungen.
Die Anbindung an die flächige Grundstruktur kann durch die beidseitige Anordnung der Verstärkungen im Vergleich zu bisher bekannten einseitig angespritzten Funktionselementen erheblich verbessert werden. Die Durchstanzung in dem Halbzeug, welches der Seite der Verrippung oder dem Befestigungsdom zugewandt ist, erlaubt ein lokales Durchströmen des Halbzeugs mit der Schmelze von innen nach außen und führt damit zu einer formschlüssigen Anbindung der Rippe oder des Doms an das Halbzeug und somit zu wesentlich höheren Biegesteifigkeiten und -festigkeiten, als es durch herkömmliches einfaches Anspritzen von außen an die verstärkte Formteilfläche realisierbar wäre. Je nach Gestaltung der Durchstanzung kann der ausgestanzte Teil der Deckschicht komplett entfernt werden oder aber mit der Grundstruktur verbunden bleiben und umgeformt werden. Dieser Stanzrest kann dann als Abstandhalter (51) in den Schnapphaken oder die Rippe hineinragen und darüber hinaus wird dadurch eine weitere Festigkeitssteigerung der Anbindung bewirkt.
Von besonderem Vorteil kann es sein, zusätzlich chemische oder physikalische Treibmittel in die Schmelze einzubringen. Dabei wird ein Schaum erzeugt, der die Dichte des Sandwichbauteils reduziert. Vor allem wird durch das Treibmittel auch die Schmelzeviskosität erheblich verringert, was das Fließen der Schmelze in den engen Spalt zwischen den beiden das taschenartige Halbzeug bildenden Decklagen erleichtert bzw. ermöglicht. Dadurch bedingt können bezogen auf die Flächensteifigkeit sehr geringe Gesamtdicken D (siehe 6) der flächigen Bauteile erreicht werden. Die Bauteildicken D können im Bereich von 0,8 bis 8 mm liegen. Bevorzugte Dicken liegen im Bereich 1 bis 4 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006019341 U1 [0003]
DE 102010019625 A1 [0003]
DE 202009012432 U1 [0003]
DE 102007036660 A1 [0003]
DE 102009016213 A1 [0004]

Claims

Faserverbundhalbzeug und Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen bestehend aus einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix und darin verstärkend wirkenden Glas-, Kohle oder organischen Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug aus zwei aufeinanderliegenden Halbzeugschichten gebildet wird, die in der Fläche größtenteils unverbunden sind und dieses zweischichtige Halbzeug in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird und anschließend eine Spritzgieß-Formmasse zwischen die beiden Schichten eingespritzt wird.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbzeugschichten so miteinander verbunden sind, dass beim Injizieren der Formmasse während des Spritzgießprozesses vorübergehend eine Tasche oder ein Kissen entsteht.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbzeugschichten vor dem Injektionsvorgang überwiegend am Rand oder in Radnähe miteinander verbunden sind.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Halbzeug bildenden Deckschichten so miteinander verbunden werden, dass zwischen den Fügestellen Öffnungen oder unverbundene Zonen verbleiben durch die die von der injizierten Formmasse verdrängte Luft aus dem Schichtzwischenraum nach außen entweichen kann.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse durch eine oder mehrere Öffnungen durch die Deckschichten hindurch oder von einem offenen Rand der Tasche in den Zwischenraum injiziert wird.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deckschichten durch Abstandhalter im Bereich der Injektionsöffnung auseinandergehalten werden.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter im Bereich der Injektionsöffnung oder im Bereich von Durchbrüchen für Funktionselemente durch den umgeformten Stanzrest gebildet werden.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbzeugschichten gemeinsam in einem Umformprozeß vor dem Spritzgießen oder während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs umgeformt werden.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbzeugschichten aus pultrudierten Bändern, Organoblechen, Prepregs metallischen Blechen oder Kombinationen daraus bestehen können.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die injizierte Formmasse Füll- und Verstärkungsstoffe oder chemische oder physikalische Treibmittel enthält.