ZAREMBA, Swen (Fürkhof 7, München, 81927, DE)
HÄFFELIN, Daniel (Ina-Seidel-Bogen 75, München, 81929, DE)
ZAREMBA, Swen (Fürkhof 7, München, 81927, DE)
| 13. Juli 2011 Ansprüche 1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wobei eine Anzahl von Lagen eines trockenen Fasermaterials zu einem Stapel (16) gestapelt, der trockene Stapel (16) gasdicht mit einer thermoplastischen Folie (18) umhüllt, der vom Stapel (16) in der Folie (18) eingenommene Innenraum (23) unter Fixierung der Lagen zu einem transportstabilen Vorformling (12) abgepumpt, der Vorformling (12) umgeformt, ein flüssiger Duroplast (20) in den Innenraum (23) unter Tränkung des Fasermaterials eingebracht und der Vorformling (12) mit getränktem Fasermaterial zu dem fertigen Bauteil ausgehärtet wird, wobei sich die Folie (18) dauerhaft als Oberfläche anbindet. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der flüssige Duroplast (20) mittels einer Druckdifferenz eingebracht wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folie (18) während der Aushärtung mit dem Bauteil eine dauerfeste, unlösbare Bindung eingeht. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Vermittlung einer stoffschlüssigen Anbindung der Folie ein Haftvermittler eingesetzt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei auf der Innenseite der Folie (18) als Haftvermittler eine Beschichtung, insbesondere durch Koextrusion, aufgebracht wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als Haftvermittler ein Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die EVA, PCB, APAO, TPE-U, TPE-E, TPE-A, EVOH und PE enthält, oder eine Kombination hiervon verwendet wird. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenseite der Folie (18) zur Herstellung einer dauerhaften An- bindung an das Bauteil genarbt wird. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorformling (12) zu einer plastischen, insbesondere thermoplastischen, Verformung der Folie (18) zu einer insbesondere glatten Bauteiloberfläche behandelt wird. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der trockene Stapel (16) im Wesentlichen plattenförmig hergestellt wird. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einbringen des Duroplasten (20), das Umformen und das Aushärten nach dem RTM-Verfahren zeitnah kombiniert in einem Prägeschritt erfolgt. 1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu den Lagen des Fasermaterials ein Fasergewebe, ein Fasergewirke, ein Faserpapier, ein Fasergestricke und/oder ein Faservlies verwendet wird. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Fasern Glasfasern, Kohlefasern, Naturfasern, thermoplastische Kunststofffasern und/oder Aramidfasern verwendet werden. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Folie (18) ein Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die PMMA, PC, SAN, ASA, PVF und PVC enthält, oder eine Kombination hiervon verwendet wird. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Verformung und/oder während des Aushärtens ein Materialüberstand thermomechanisch abgetrennt wird. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil über die thermoplastische Folie (18) in einem weiteren Verarbeitungsschritt mit einem anderen Bauteil thermisch gefügt, insbesondere verschweißt oder verlötet, wird. 16. Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Anzahl von in einer Matrix aus einem Duroplasten (20) eingebundenen Lagen eines Fasermaterials, sowie eine unmittelbar angebundene Oberflächenschicht aus einem Thermoplasten. 17. Bauteil nach Anspruch 16, wobei die Oberflächenschicht durch Adhäsion angebunden ist. 18. Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Oberflächenschicht über einen Haftvermittler angebunden ist. 19. Vorformling (12) für ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere wie er sich nach einer Anzahl von Teilschritten gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ergibt, umfassend einen Stapel (16) aus einer Anzahl von Lagen eines trockenen Fasermaterials, der gasdicht mit einer thermoplastischen Folie (18) umhüllt ist, wobei in dem vom Stapel (16) in der Folie eingenommenen Innenraum ein Unterdruck herrscht, so dass die Lagen transportstabil fixiert sind. 20. Vorformling (12) nach Anspruch 19, wobei der trockene Stapel (16) im Wesentlichen plattenförmig ist und gasdicht zwischen Folienbahnen eingelegt ist. |
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff,
Vorformling dafür sowie Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Fa- serverbundwerkstoff, wobei ein Fasermaterial mit einem Duroplasten getränkt und zu dem fertigen Bauteil ausgehärtet wird. Die Erfindung betrifft weiter einen Vorformling aus dem Fasermaterial, der zur Herstellung des Bauteils herangezogen wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Die Erfindung beschäftigt sich weitestgehend mit dem Thema, das Einsatzspektrum von Faserverbundwerkstoffen zu vergrößern.
Faserverbundwerkstoffe werden durch ein arbeits- und kostenintensives Verfahren hergestellt. Der Faserverbundwerkstoff besteht aus einem Anteil Fasern und einem Anteil Matrix, wobei der Werkstoff bei der Verarbeitung entsteht. Es ist beispielsweise üblich, vor der Zusammenkunft von Matrix und Fasern, beispielsweise durch Infusion oder Injektion, einen trockenen Vorformling aus Fasern herzustellen, der der Endkontur des Bauteils nahe kommt. Dieser wird auch als Preform bezeichnet. Das Herstellen einer Preform erfolgt u.a. durch das Aufschichten ebener Faserhalbzeuge, die unter Druck und Temperatur in eine endgeometrieähnli- che Form gepresst werden können. Anschließend wird die Matrix und damit das vorgefertigte Bauteil ausgehärtet.
Als Matrixmaterial können Duroplaste verwendet werden, die sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen können. Typische Vertreter sind epoxid-, vinyl- , polyester- und phenolbasierte Harzsysteme. Diese weisen eine Härtereaktion auf, die unter Raumtemperatur oder höheren Temperaturen stattfindet.
Dieses Verfahren weist Defizite in der Effizienz der eingesetzten Hilfsmittel und dem Ablauf der Prozessschritte auf, da für das Preforming, Eintrennen des Injektionswerkzeuges, der Injektion/Infiltration, anschließender Nachbearbeitung der Oberfläche und Reinigen des Werkzeuges jeweils eigene Prozessschritte erforder-
BESTÄTIGUNGSKOPIE lieh sind, die im nachfolgend beschriebenen Verfahren zur gesteigerten Ressourceneffizienz verkettet werden.
Faserverbundbauteile zeigen aufgrund ihres Herstellungsverfahrens eine charakteristische Oberflächenstruktur, die ihr Einsatzspektrum bislang einschränkt. Dabei zeichnet sich unter der Oberfläche aufgrund einer in Dickenrichtung vorhandenen Anisotropie die Faserstruktur ab. Zur Herstellung einer glatten Oberfläche, die beispielweise in der Fahrzeug- oder Luftfahrtindustrie, bei Produkten des täglichen Gebrauchs etc. gefordert wird, müssen Faserverbundbauteile aufwändig und kostenintensiv nachbearbeitet werden. Beispielsweise muss die Oberfläche eines Faserverbundbauteils hierzu unter Zwischenhärten und Abschleifen mehrmals lackiert werden. Alternativ kann ein Faserverbund bauteil nachträglich foliert werden, wozu beispielsweise in einem Sprühverfahren unterschiedliche Schichten aufgetragen werden, die chemisch reagieren und dabei eine Folie bilden. Auch ist zum Auftragen von Folien ein thermisches oder mechanisches Tiefziehverfahren möglich, wobei zweidimensionale Folien erhitzt und/oder unter Reduktion der Wandstärke in die vorgesehene Geometrie gestreckt werden.
Aufgrund der enormen mit Faserverbundwerkstoffen erzielbaren Gewichtsreduktion, werden besonders in der Automobilindustrie zur Veredelung der Oberfläche auch kostenintensive Maßnahmen in Kauf genommen wie beispielsweise das Integrieren von Zwischenschichten, die Verwendung von vergleichsweise teuren Harzen mit geringem Schwund oder die Verwendung von qualitativ hochwertigen Faserhalbzeugen.
Der Kostenaufwand zur Oberflächenveredelung von Faserverbundbauteilen kann hierbei über 50 % der Gesamtkosten des Bauteils ausmachen.
Aus der EP 1 724 098 A1 ist zur Verbesserung des Herstellungsverfahrens und zur Oberflächenveredelung eines Faserverbund bauteils bekannt, zunächst eine separate Materialschicht entsprechend der gewünschten Endform vorzuformen, auf diese vorgeformte Materialschicht Fasermaterial aufzutragen, das Fasermaterial mittels eines Harzes zu härten und so das Endprodukt zu bilden. Die zusätzli- che Materialschicht verbindet sich dabei mit dem Fasermaterial und bildet insbesondere eine einseitige, gewünschte Oberfläche. Die vorgeformte zusätzliche Materialschicht kann mit dem aufgebrachten Fasermaterial auch als Vorformling zur Endverarbeitung transportiert werden. Dabei dient die vorgeformte Materialschicht gewissermaßen als Matrize. Die Bauteilform selbst kann erneut genutzt werden, wobei keine Reinigung vom eingesetzten Harz erforderlich ist. Für die zusätzliche Materialschicht ist die Verwendung von Kunststofffolien aus PET (Polyethylen- terephthalat), PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), PMMA (Polymethylmethacrylat), PBT (Polybutylenterephthalat), PUR (Polyurethan) sowie Arcyl-Filme oder Mischungen der vorgenannten Materialien bevorzugt.
Ein ähnliches Verfahren offenbart die DE 103 09 81 1 A1 , wobei mittels eines Formwerkzeugs, das die Topografie der Oberfläche des fertigen Bauteils aufweist, eine der Endform des gewünschten Bauteils angeformte Kunststofffolie erzeugt wird. Auf die Seite der vorgeformten Folie, die nicht die Oberfläche des fertigen Bauteils ist, wird ein faserverstärkter Kunststoff aufgebracht. Nach Aushärten des faserverstärkten Kunststoffs wird das fertige Bauteil entnommen.
Dasselbe Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten Faserverbundwerkstoffs ist auch aus der DE 10 2008 009 438 A1 entnehmbar. Dazu wird eine zugeschnittene Oberflächenfolie bis zur Erweichungstemperatur erwärmt und in einem Formwerkzeug entsprechend der Topografie des herzustellenden Formteiles geformt. Auf die Innenseite der vorgeformten Oberflächenfolie wird ein Fasergewebe und ein Polymerharz aufgebracht, entsprechend der Topografie des Formteils geformt und ausgehärtet. Das fertige Bauteil wird nach dem Aushärten dem Formwerkzeug entnommen.
Nachteiligerweise wird bei diesen Verfahren als ein zusätzlicher Arbeitsschritt ein separates Vorformen der späteren Oberfläche notwendig. Darüber hinaus ist mit den angegebenen Verfahren nur eine einseitige Oberflächenveredeiung möglich.
Zu einem alternativen Herstellungsverfahren für einen Faserverbundwerkstoff ist es aus der DE 20 2005 005 475 U1 bekannt, einen profilierten Vorformling in Sandwichbauweise heranzuziehen. Dabei weist der Vorformling einen Stapel aus Kern- und Folien-Lagen auf. Im Inneren befindet sich gegebenenfalls auf einem Versteifungskern eine unreagierte Fasermaterial-Harz-Schicht. Darüber ist eine Deckfolienschicht, eine Vliesschicht und zur Abschließung gegen die Umgebung eine dauerelastische Folienschicht angeordnet. Der Vorformling soll sich wie eine Folie verhalten, so dass er mittels einer Folientiefziehanlage in Form gebracht und ausgehärtet werden kann.
Nachteiligerweise ist der Vorformling in Sandwichaufbau aufgrund mangelnder mechanischer Stabilität nur schlecht transportierbar. Auf dem Transportweg kann zudem das eingebrachte Harz in unerwünschter Weise aushärten.
Auch aus der DE 100 27 129 C1 ist ein Vorformling zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Der Vorformling besteht dabei aus Fasermaterial, auch in Form von Lagen, welches bereits räumlich ausgebildet sein kann. Das Fasermaterial ist von einem Umhüllungsmittel umschlossen, welches aus einem kunststoffelastischen Material besteht. Das Umhüllungsmittel ist beispielsweise in schlauch- oder kissenförmiger Gestalt vorgesehen. Durch das Vorsehen des Umhüllungsmittels kann die bisherige Verwendung von Trennmittel zwischen Einlegeteilen und Formwerkzeug entfallen. Durch das Umhüllungsmittel kommt das Formwerkzeug nicht mit dem Harz in Berührung. Zur Ausbildung des fertigen Bauteils wird das Harz in das Innere des Umhüllungsmittels eingebracht, insbesondere eingesaugt, wobei das Fasermaterial getränkt wird.
Das elastische Umhüllungsmittel führt nachteiligerweise zu einer unerwünschten Vorspannung, die die Bauteilausformung behindern kann. Zwar ist kein Trennmittel für das Formwerkzeug erforderlich. Das Umhüllungsmittel muss jedoch vom fertigen Bauteil aufwändig entfernt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für ein oberflächenveredeltes Bauteil aus einem Faserverbundstoff anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Vorformling für ein derartiges Herstellungsverfahren zur Ver- fügung zu stellen. Femer ist eine Aufgabe der Erfindung ein einfach herstellbares Faserverbundbauteil mit veredelter Oberfläche anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei eine Anzahl von Lagen eines trockenen Fasermaterials zu einem Stapel gestapelt, der trockene Stapel gasdicht mit einer thermoplastischen Folie umhüllt, der vom Stapel in der Folie eingenommene Innenraum unter Fixierung der Lagen zu einem transportstabilen Vorformling abgepumpt, ein flüssiger Duroplast in den Innenraum unter Tränkung des Fasermaterials eingebracht, der Vorformling umgeformt, und der Vorformling mit getränktem Fasermaterial zu dem fertigen Bauteil ausgehärtet wird, wobei sich die Folie dauerhaft als Oberfläche anbindet.
Die einzelnen Herstellungsschritte müssen dabei nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge ablaufen. Vielmehr kann die Abfolge auch sinnhaft variiert werden. Insbesondere kann die Umformung des Vorformlings vor, während oder nach der Tränkung des Fasermaterials vorgenommen werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, zur Oberflächenveredelung eines Faserverbundbauteils einen prozessintegrierten Ansatz zu finden. Die bisher zusätzlich notwendigen Prozessschritte führen zu einem gesteigerten Einsatz von Hilfsstoffen, zur Erhöhung der Zykluszeit, zu einer zusätzlichen Bindung von Kapital und Anlagen sowie zu einer verminderten Wettbewerbsfähigkeit der Faserverbundbauteile gegenüber bestehenden metallischen Lösungen. Durch einen prozessintegrierten Ansatz lassen sich diese Nachteile vermeiden.
Anstatt wie bisher üblich den Faserwerkstoff, beispielsweise in Gestalt eines sogenannten Prepregs, durch Tränkung oder Fixierung der einzelnen Faserlagen mit dem späteren Bindermaterial einfacher handbar zu machen, wird nun das Fasermaterial trocken aufeinander gelegt. Der trockene Stapel wird mit einer thermoplastischen Folie umhüllt. Anschließend wird der Innenraum zwischen den Folien abgepumpt oder evakuiert. Damit erhält man einen vor Außeneinflüssen wie Staub und Feuchtigkeit geschützten Vorformling, der im Gegensatz zu einem unfolierten Vorformling aufgrund der höheren Eigensteifigkeit beispielsweise automatisiert positioniert werden kann. Der eingeschweißte trockene Vorformling ist alterungsbeständig und kann somit auch über längere Wegstrecken transportiert werden. Es besteht nicht die Gefahr eines unerwünschten Aushärtens, da kein Bindermaterial zur Formstabilisierung des Fasermaterials oder zur Vorkonfektionierung eines Vorformlings in Gestalt eines Sandwichaufbaus eingesetzt ist.
Die Transportstabilität des Vorformlings wird erzielt durch den abgepumpten Innenraum in Kombination mit der äußeren thermoplastischen Folie, die dem Stapel aufgrund der gegebenen Druckdifferenz anliegt. Die Erfindung als solche kommt demnach ohne eine Fixierung der einzelnen Lagen aneinander aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden daher die einzelnen Lagen des trockenen Fasermaterials lose gestapelt, so dass sich ein loser und trockener Stapel ergibt. Dieser Stapel wird gasdicht mit der thermoplastischen Folie umhüllt. Der Innenraum wird abgepumpt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Lagen trockenen Fasermaterials zu einem drapierbaren Stapel gestapelt. Dabei können die einzelnen Lagen lokal oder abschnittsweise - falls notwendig - aneinander fixiert werden, wobei jedoch die Umformbarkeit des trockenen Stapels zu der gewünschten Endgeometrie des fertigen Bauteils weiter gegeben ist, ohne aufgrund der Fixierung wellig oder faltig zu werden. Mit anderen Worten muss diese Fixierung noch einen für die
Drapierbarkeit bezüglich der Bauteilgeometrie notwendigen Versatz, ein Abgleiten oder ein Abscheren der Fasern im Fasermaterial zulassen. Die Drapierbarkeit ergibt sich dabei durch die Lage der lokalen Fixierstellen. Die Fixierung kann durch ein lokales Vernähen, lokales Verkleben, lokales Nadeln, lokales Heften oder durch eine lokale Zwischenlage eines doppelseitigen Klebematerials geschehen. Es wird ersichtlich, dass eine eher flächige als lokale Fixierung die
Drapierbarkeit einschränkt. Durch ein flächiges Fixieren, beispielsweise durch Verkleben und Aushärten, werden die Fasern des Fasermaterials gehindert, aufeinander zu gleiten oder gegeneinander abzuscheren. Ein drapierbarer trockener Stapel, der insofern entsprechend lokal fixiert ist, kann vorliegend auch als ein im Wesentlichen loser Stapel bezeichnet werden. Ein solcher Stapel unterscheidet sich insbesondere von einem bekannten Prepreg dadurch, dass der Stapel trocken ist. Die einzelnen Lagen des drapierbaren Stapels sind gegebenenfalls fixiert, haften jedoch nicht flächig durch eine Tränkung mit Harz aneinander. Der trockene Stapel als solcher weist die notwendige
Drapierbarkeit auf. Die Transportstabilität wird nicht durch eine Harztränkung, sondern durch die umhüllende Folie erreicht, die sich dem trockenen Stapel nach dem Abpumpen des Innenraums anschmiegt.
Durch den transportstabilen Vorformling können die logistischen Vorteile eines dezentralisierten Pressenprozesses durch reduzierte Ablegezeiten in der Pres- senkavität ausgeschöpft werden. Erst unmittelbar vor oder während der endgültigen Formgebung kann in den Innenraum zwischen den Folien der flüssige Duroplast unter Tränkung des Fasermaterials eingebracht werden. Der Unterdruck im Innenraum kann hierbei vorteilhaft zu der gewünschten gleichmäßigen Durchtränkung des Fasermaterials verwendet werden.
Abgesehen von diesen Vorteilen erkennt die Erfindung nun aber in einem letzten Schritt zusätzlich, dass sich die Bildung eines trockenen transportstabilen Vor- formlings weiter zu einer prozessintegrierten Oberflächenveredelung ergänzen lässt. Dazu wird zur Umhüllung des trockenen Stapels aus Fasermaterial eine thermoplastische Folie verwendet, die sich während der Aushärtung des eingebrachten Duroplasten dauerhaft als Oberfläche anbindet. Dabei liegt diesem Schritt die Erkenntnis zugrunde, dass der Aushärtungsprozess problemlos zu einer dauerfesten Anbindung der den Vorformling stabilisierenden Folien ausgenutzt werden kann.
Durch den Einsatz einer thermoplastischen Folie wird nicht mehr wie bisher eine separate Vorformung einer später gegebenenfalls als Oberfläche wirkenden zusätzlichen Materialschicht notwendig. Vielmehr wird die thermoplastische Folie in das bisherige Herstellungsverfahren integriert. Die thermoplastische Folie wird bei der Umformung des Vorformlings beispielsweise unter Temperatureinwirkung an die gewünschte Topografie des fertigen Bauteils angepasst. Dies geschieht beispielsweise ohne zusätzlichen Prozessschritt wie bisher bei der Formgebung des Verbundbauteils in dem Gesenk des Formwerkzeugs.
Nach der Aushärtung ist ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff entstanden, dessen maßgebliche Oberflächeneigenschaften durch die Folie bestimmt wird und das nur eine geringe Nacharbeit erfordert. Werden die Oberflächeneigenschaften maßgeblich von einer Folie bestimmt, so führt dies zu einer gesteigerten Modu- larisierbarkeit. Während bei Unternehmen mit geringer Fertigungstiefe oder bei mehreren Zulieferern Färb- und Oberflächenunterschiede im Endprodukt auftreten können, ist dies sicher vermieden, wenn als Zulieferer für die Folie ein zentraler Folienproduzent herangezogen wird. Die Prozessparameter für die Oberflächensubstanz sind von den Parametern zur Herstellung der Struktur separiert. Eine Folie kann in eigenen Prozessen gefertigt werden, wodurch eine Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden können. Auch können mehrere solcher Materialien mit gewünschten Eigenschaften in Schichten zu einer Gesamtfolie verbunden werden.
Durch die Erfindung wird es möglich, gewünschte Oberflächeneigenschaften von Verbundwerkstoffbauteilen durch Adaption einer Folienherstellung zu erreichen, während andererseits das Herstellungsverfahren für das Faserverbundbauteil nicht um aufwändige zusätzliche Prozessschritte ergänzt werden muss. Vielmehr wird die spätere Oberfläche des Faserverbundbauteils im Vorprozess sogleich zur Herstellung eines transportstabilen Vorformlings genutzt, was wiederum zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Schaffung des günstigeren Herstellungsprozesses bringt. Die äußere Folie bindet sich dabei dauerhaft als Oberfläche dem Bauteil an.
Zusätzlich kann beim Umformen des Vorformlings auf den Einsatz eines Trennmittels zur Trennung zwischen Harz und Werkzeug verzichtet werden. Diese Wirkung wird durch die den trockenen Faserstapel umhüllende thermoplastische Folie bereits erzielt. Wird die Umformung des Vorformlings vor der Tränkung des Fasermaterials vorgenommen, so ist die Umformungstemperatur für die Folie losgelöst von der Aushärtungstemperatur des Duroplasten spezifisch wählbar. Eine gegebenenfalls störende Aushärtung des Duroplasten während der Umformung ist dann ebenso verhindert.
Bevorzugt wird der flüssige Duroplast mittels einer Druckdifferenz eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Infiltration geschehen, wobei an den Vorformling ein Unterdruck angelegt wird, so dass der noch flüssige Duroplast als Bindermaterial in den Folieninnenraum eingesogen wird. Es wird eine gleichmäßige Durchtränkung des bislang trockenen Stapels aus Fasermaterial erzielt. Andererseits kann die Tränkung auch durch eine Injektion erfolgen, wobei der flüssige Duroplast selbst unter Druck in den Folieninnenraum eingebracht wird. Bei beiden Möglichkeiten wird jeweils der im Innenraum des Vorformlings vorhandene Unterdruck sinnvoll zur Einbringung genutzt.
Die bei Aushärtung des Vorformlings erfolgende dauerhafte Anbindung der äußeren gasdicht abschließenden Folie erfolgt durch Adhäsion. Diese Adhäsion resultiert unter anderem aus einer mechanischen Verankerung, wobei Poren und Vertiefungen der Folie vom flüssigen Duroplasten während der Tränkung durchdrungen werden und im ausgehärteten, festen Zustand Hinterschneidungen bilden. Andererseits kann abhängig vom eingesetzten Duroplasten und der eingesetzten thermoplastischen Folie während der Herstellung auch eine sogenannte Autoad- häsion erfolgen, wobei sich die Kohlenwasserstoffketten der verwendeten Polymere aufeinander legen oder sich gegenseitig durchdringen, so dass beide Materialien letztendlich durch zwischenmolekulare Kräfte gehalten werden. Ebenfalls können elektrostatische Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte, Dipolwechselwirkungen und dergleichen zu einer spezifischen Adhäsion im fertigen Bauteil führen. All diese teilweise nicht klar trennbaren Adhäsionseffekte können im Sinne der Erfindung zu einer dauerhaften und unlösbaren Bindung der Folie während der Aushärtung ausgenutzt werden. Die Erfindung schließt insofern solche Materialpaarungen zwischen der thermoplastischen Folie und dem Duroplasten aus, die nach Aushärtung leicht voneinander trennbar sind. Beispielsweise ist dies bei Kunststoffen der Fall, wenn diese sich hinsichtlich ihrer Polarität oder chemisch so unterscheiden, dass beispielsweise in der flüssigen Phase keine gegenseitige Benetzung oder Durchdringung erfolgen kann. Solche Materialpaarungen sind beispielsweise üblich, um einen Folienüberzug leicht abziehbar auszugestalten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Vermittlung einer stoffschlüssigen Anbindung der Folie ein Haftvermittler eingesetzt. Ein solcher Haftvermittler kann beispielsweise Teil der Innenseite der thermoplastischen Folie sein, wobei Haftvermittler und thermoplastische Folie insbesondere bereits als gemeinsamer Folienverbund hergestellt sind. Der Haftvermittler ist dann so ausgewählt, dass er beispielsweise durch eine Erwärmung als flüssige Phase sich mit dem Duroplasten vermischt oder in das Fasermaterial eindringt. Nach dem Aushärten ist hierdurch eine dauerfeste, durch Formschluss unlösbare Verbindung entstanden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird als Haftvermittler auf der Innenseite der thermoplastischen Folie eine Beschichtung aufgebracht, die sich mit dem Bauteil während der Herstellung dauerfest verbindet. Diese Beschichtung kann nachträglich auf die Folie aufgetragen werden. Besonders bevorzugt ist aber die Methode der Koextrusion, wobei die Folienaußenseite (die spätere Oberfläche) und die Folieninnenseite durch einen gemeinsamen Extrusionsprozess hergestellt werden. Bei der Extrusion werden thermoplastische Kunststoffe eingesetzt, die im Extrusionskopf eines Extruders aufgeschmolzen und dann in flüssiger Phase gemeinsam zu der gewünschten zwei- oder auch mehrlagigen Folienform gepresst werden. Unmittelbar nach dem Pressvorgang härten die Kunststoffe aus. Durch geeignete Materialauswahl der Kunststoffe sind diese dann chemisch oder durch Formschluss miteinander fest verbunden. Die Koextrusion stellt hierbei ein günstiges Herstellungsverfahren dar.
Als Haftvermittler wird bevorzugt ein Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die EVA (Ethylenvinylacetat), PCP (Polychlorierte Biphenyle), APAO (amorphe Poly- alphaolefine), TPE-U (Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis), TPE-E (Thermoplastische Copolyester), TPE-A (Thermoplastische Copolyamide), EVOH (Ethylen-Vinyl-Alkohol) und PE (Polyethylen) enthält, oder eine Kombination hiervon verwendet.
Als geeignete thermoplastische Folie wird bevorzugt ein Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), SAN (Styrol-Acrylnitril), PVF (Polyvinylflorid) und PVC (Polyvinylchlorid) enthält, oder eine Kombination hiervon eingesetzt. Daneben sind auch günstige Kunststoffe wie PE (Polyethylen) oder PA (Polyacetat) wählbar, wenn das Bauteil beispielsweise für einen Interieurbereich hergestellt wird.
Durch den Haftvermittler, der bevorzugt mit der thermoplastischen Folie koex- trudiert ist, kann durch Erwärmung eine formschlüssige Anbindung mit den eingegossenen Fasern erreicht werden. Der Haftvermittler benetzt als flüssige Phase beispielsweise die oberste Faserschicht und führt im Folienverbund somit zu einem mechanischen Kraftschluss über eingegossene Fasern. Die thermoplastische Folie ist damit dauerhaft und unlösbar als Oberfläche dem Faserverbundbauteil angebunden.
Selbstverständlich kann auch für die thermoplastische Folie selbst ein geeigneter Kunststoff ausgewählt werden, der durch Adhäsion während der Herstellung die beschriebene dauerhafte Bindung an das Bauteil eingeht. Durch das Vorsehen eines separaten Haftvermittlers kann jedoch die Funktion des Haftens von den gewünschten Oberflächeneigenschaften entkoppelt werden. Dies ermöglicht es für die thermoplastische Folie alleine das für die gewünschten Oberflächeneigenschaften optimierte Material einzusetzen. Beispielsweise kann eine Oberflächeneigenschaft wie Säurebeständigkeit, Alterungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Härte, Haptik oder auch Farbgebung etc. im Folienverbund separat der äußersten Schicht zugewiesen werden.
Wird zur Haftvermittlung ein weiteres Material in den Folienverbund integriert, welches vom Deckmaterial abweicht, so kann dieses neben der Haftvermittlung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften in einem nachgeschalteten Temper- prozess bevorzugt mit weiteren Funktionen beaufschlagt werden. Zur Reduktion der Zykluszeit und somit zur Reduktion der Pressenbelegung ist es beispielsweise beim RTM-Verfahren üblich, den Aushärtegrad des Duroplasten bzw. der Duroplastmatrix durch einen nachgeschalteten Temperierungsschritt zu steigern. Dabei vernetzt das Harzsystem innerhalb der Werkzeugkavität lediglich zum Teil und erst während des Temperns vollständig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein nachgeschalteter Tem- perprozess zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften eingesetzt. Dazu wird die thermoplastische Folie aus einem Multimaterialaufbau, beispielsweise unter Verwendung des Haftvermittlers, derart gestaltet, dass die verwendeten einzelnen Materialschichten der Folie unterschiedliche thermische Eigenschaftsprofile aufweisen, die bei einer vorgegebenen Tempertemperatur starke Unterschiede im Elastizitätsmodul zeigen.
Die Unterschiede im Elastizitätsmodul des Folienaufbaus ermöglichen es, die sich bei einer Temperierung einstellende Spannungsreduktion gerichtet auswirken zu lassen. Grundgedanke ist hierbei das Naturgesetz, wonach jedes Objekt der Natur nach der Reduktion seines energetischen Zustande strebt. Eine Form der Energie ist hierbei die in Materialien eingebrachte Spannung, die das Streben der Relaxation zeigt. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Folienoberfläche noch glatter hergestellt werden kann.
Während der Temperierung findet eine Nachvernetzung des Duroplasten bzw. der duroplastischen Matrix statt, die zu einem Volumenschrumpf führt. Durch den anisentropen Aufbau des Verbundwerkstoffs führen die Fasern zu einer ungleichen Verteilung der Schrumpfungen, wodurch sich die Gebiete mit erhöhtem Faseranteil an der Oberfläche unerwünscht abzeichnen können. In den Bereichen erhöhter Schrumpfung (harzreiche Gebiete) kommt es zu einer vermehrten Deformation der Folie, wodurch sich darin Spannungserhöhungen, insbesondere über Biege- und/oder Zugspannungen, ausbilden. „Beide" Lagen der Folie werden durch diesen Schrumpfprozess mechanisch verformt. Der mechanische Spannungszustand des Folienverbunds ist demzufolge erhöht, variiert lokal und strebt nach Relaxation. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung kann diese Spannungserhöhung in den Bereichen der Verformung, also in den Bereichen der Faserabzeichnung, einer Eindellung oder einer Oberflächenvertiefung abgebaut werden, wobei sich die Folienoberfläche unter Verringerung des Spannungszustands glättet. Dies geschieht dadurch, indem der nach innen gerichtete Teil der Folie stärker erweicht als der äußere. Damit kann der innere Folienanteil an die Stelle des geschrumpften Duroplastanteils treten und diesen somit ausgleichen. Weiterhin weist der äußere Teil der Folie demgegenüber eine erhöhte Steifigkeit auf, wodurch sich der in ihm befindliche Spannungsanteil durch die Glättung infolge reduzierter Dehnungen vermindert.
Vorzugsweise weist der Haftvermittler, d.h. der nach innen gerichtete Teil der Folie (des Folienverbunds), eine niedrigere Erweichungstemperatur als der äußere thermoplastische Folienanteil auf. Erfolgt bevorzugt die nachfolgende Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen der Erweichungstemperatur der Haftvermittler-Folie und der äußeren thermoplastischen Folie, so baut sich der Elastizitätsmodul des Haftvermittlers durch Erweichung ab. Die äußere Folie, also der nach außen gerichtete Folienanteil, kann unter Verringerung des Spannungszustandes unter der gewünschten Glättung relaxieren.
Alternativ oder auch zusätzlich zu einem Haftvermittler kann die Innenseite der Folie zur Herstellung einer dauerhaften Anbindung an das Bauteil bevorzugt auch genarbt sein. Durch eine genarbte Innenseite der Folie erfolgt bei der Aushärtung des Bauteils eine Adhäsion durch mechanischen Formschluss. Die Vertiefungen, Rillen, Poren etc. der Narbung bilden nach der Aushärtung für den eingedrungenen Duroplasten Hinterschneidungen, so dass eine dauerhafte, unlösbare Anbindung gewährleistet ist.
Als Duroplaste, d.h. Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können, werden sowohl raumhärtende als auch durch Erwärmung aushärtende Harzsysteme eingesetzt. Insbesondere können auch selbsthärtende Harz- Systeme aus einem Harzmaterial und einem Härter verwendet werden. Als Matrix bzw. als Duroplast können insbesondere ein Epoxid-Harz, ein Polyester-Harz, ein ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)-Harz, ein Aminoplast oder ein Vinyl-, Phenol-, oder Polyurethanharz eingesetzt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Vorformling einer spezifischen Behandlung unterzogen, wobei sich die Folie plastisch zu einer insbesondere glatten Bauteiloberfläche verformt. Dies kann unter Einwirkung mechanischer, chemischer, hydrodynamischer oder vorzugsweise thermischer Effekte erfolgen. Eine Kombination daraus ist möglich. Unter Ausnutzung hydrodynamischer Effekte wird insbesondere das Absaugen von Gasen oder Fluiden zum Zweck der Formgebung verstanden, die sich zwischen dem noch ebenen Vorformling und der Werkzeugtopografie befinden. Weiterhin kann darunter ein zielgerichtetes Steuern des Druckes zwischen den Folien sowie dem Druck in der geschlossener Kavität verstanden werden.
Auch kann die Folie durch eine chemische Behandlung flexibel gemacht werden. Die Folie kann hierzu beispielsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel aufgeschwemmt werden, das beim Erreichen der Endkontur wieder ausgast und dabei das Material hart macht.
Durch die bevorzugte Temperaturbehandlung wird die thermoplastische Folie erweicht, so dass diese sich beispielsweise im Gesenk eines Formwerkzeugs der Topografie des gewünschten Bauteils angleicht. Zudem resultiert über die Erweichung der thermoplastischen Folie gegebenenfalls die dauerfeste Anbindung an das Bauteil. Insbesondere ist dies der Fall, wenn ein Haftvermittler auf der Innenseite der thermoplastischen Folie eingesetzt ist. Selbstverständlich kann auch eine einheitlich hergestellte thermoplastische Folie durch die Erweichung und anschließende Rückkehr in die feste Phase einen Formschluss mit dem Bauteil bilden. Auch ist hierbei eine chemische Anbindung an das eingesetzte Binder- oder Harzsystem möglich. Ist als Duroplast ein raumhärtendes bzw. selbsthärtendes Harzsystem eingesetzt, oder passt die Verarbeitungstemperatur der Folie nicht zum Harzsystem, so ist gegebenenfalls eine separate Temperaturbehandlung erforderlich, um die den Vorformling einhüllende thermoplastische Folie zur späteren Topografie umzuformen. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein schnell härtendes Niedertemperaturharz eingesetzt wird. Dann braucht gegebenenfalls nur die Außenseite des Vorformlings zur Umformung der Folie erwärmt zu werden. Ist ein temperaturhärtender Duroplast eingesetzt, so kann wiederum bevorzugt die Formanpassung der thermoplastischen Folie zugleich mit der Temperaturbehandlung zur Aushärtung des eingebrachten Duroplasten erfolgen.
Vorteilhaft soll im Laufe der Temperaturbehandlung das thermoplastische Folienmaterial keine flüssige Phase erreichen. Damit erreicht die Folie im Prozess des Abformens der Werkzeuggeometrie zwar einen plastischen Zustand, dieser reicht jedoch nicht aus, die Faserstruktur abzubilden. Daraus sowie aus prozessseitigen und werkzeugseitigen Vorkehrungen resultiert wiederum eine glatte Bauteiloberfläche.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Einbringen des Duroplasten in den Folieninnenraum, das Umformen des Vorformlings und das Aushärten gemäß einem RTM-Verfahren zeitnah kombiniert in einem Prägeschritt. Unter dem RTM-Verfahren wird ein sogenanntes Resin-Transfer- Moulding-Verfahren verstanden, wobei die Aushärtung des Duroplasten kombiniert mit einem Prägeschritt erfolgt. Vorliegend können aufgrund der gegebenen Umhüllung mit der thermoplastischen Folie die Umformung, die Einbringung des Duroplasten und die Aushärtung in einem Formwerkzeug zeitnah in einem kombinierten Arbeitsschritt erfolgen. Dazu wird der noch trockene Vorformling mit Umhüllung beispielsweise in das Gesenk oder die Kavität des Formwerkzeugs eingelegt. Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen und unter Druck gesetzt, wodurch der Vorformling samt Umhüllung in die gewünschte Bauteilform gebracht wird. Parallel dazu wird beispielsweise mittels Unter- oder Überdruck von außen der flüssige Duroplast in das eingelegte Formteil eingebracht. Der Duroplast durchtränkt dabei das Fasermaterial. Anschließend wird beispielsweise mittels einer gemeinsamen Temperaturbehandlung durch Wärmeeintrag der Duroplast ausgehärtet, wobei auch die thermoplastische Folie erweicht, hierdurch dauerhaft dem Bauteil angebunden und zugleich der Oberflächengeometrie der Bauteilform angepasst wird.
Das RTM-Verfahren weist aufgrund der kombinierten Fertigungsschritte deutlich Kosten- und Logistikvorteile auf.
Bevorzugt ist der trockene Stapel im Wesentlichen plattenförmig hergestellt. Das Fasermaterial kann hierzu entsprechend der gewünschten Grund- bzw. Projektionsform zugeschnitten sein. Der plattenförmige Vorformling wird dann durch ein Formwerkzeug entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Topografie zum endgültigen Bauteil umgeformt. Die Plattenform bietet sich insbesondere für flächige Bauteile mit einer dreidimensionalen Raumform an. Viele Sichtbauteile aus der Automobilindustrie wie Verkleidungen, Stoßfänger etc. aus der Automobilindustrie zeichnen sich beispielsweise durch eine derartige Form aus.
Das Umhüllen des trockenen Faserstapels kann vorteilhafterweise mittels eines Folienschlauches vorgenommen werden. Nach Umhüllen des Stapels durch den Folienschlauch wird dieser an den Enden beispielsweise verschweißt, verklebt oder in einer anderen Art und Weise gasdicht abgeschlossen. Im Falle eines plat- tenförmigen Stapels ist es in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung auch möglich, insbesondere zwei Folienbahnen vorzusehen, die im Durchlaufverfahren dem flachen Stapel beidseitig angelegt und ringsum verschweißt oder verklebt werden. Sowohl das Einschlauchen als auch das Einlegen zwischen zwei oder mehreren Folienbahnen ist fertigungstechnisch als ein kontinuierliches oder semikontinuierliches Durchlaufverfahren auszugestalten.
Als Fasern können Glasfasern, Kohlefasern, Naturfasern, thermoplastische Kunststofffasern und/oder Aramidfasern verwendet werden. Damit kann Bezug genommen werden auf die späteren charakteristischen Eigenschaften des gewünschten Faserverbundbauteils. Das Fasermaterial selbst ist bevorzugt textil ausgebildet, wobei die Fasern zu einem Fasergewebe, einem Fasergewirke, einem Faserge- stricke und/oder zu einem Faservlies miteinander verbunden sind. Alternativ ist auch die Verwendung eines Faserpapiers möglich. Letzteres unterscheidet sich von einem Faservlies, wobei Fasern ungeordnet beispielsweise durch Nadeln miteinander verbunden sind, durch die feinere Struktur der Fasern und die durch Pressung erzeugte innere Oberfläche.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird ein Materialüberstand während der Umformung und/oder während der Aushärtung thermomechanisch, also durch eine thermisch-mechanische Kombination, abgetrennt. Beispielhaft erfolgt die Abtrennung innerhalb des Formwerkzeugs, indem die Werkzeugkanten erhitzt werden. Dadurch erfolgt nach Art von Schweißlippen zum einen ein Verschweißen der Folienüberstände. Zum anderen werden nicht benötigte Folienüberstände gleich vom Bauteil abgetrennt.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff werden bislang aus Fertigungsgründen zu groß hergestellt. Nach dem Aushärten werden überstehende Ränder mechanisch entfernt, beispielsweise abgeschliffen, abgefräst oder abgeschnitten. Werden Materialüberstände gemäß dem vorliegenden Verfahren jedoch während der Aushärtung oder der Verformung thermomechanisch abgetrennt, so können sowohl Materialkosten als auch Herstellkosten verringert werden. Durch die zusätzliche Verschweißung der Folienränder kann das Bauteil insgesamt kleiner gefertigt werden. Durch den verringerten Überstand reduzieren sich die Kosten für nachfolgende mechanische Bearbeitungsschritte beträchtlich.
Das hier angegebene Verfahren hat den weiteren großen Vorteil, dass sich das Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff über die thermoplastische Folie problemlos thermisch mit weiteren Bauteilen fügen lässt. Die Folie lässt sich insbesondere sowohl mittels Schweißen als auch mittels Löten mit einem weiteren Bauteil fügen. Beim Schweißen werden beide Bauteile lokal oder flächig bis über die Erweichungstemperatur erhitzt. Dabei durchdringen sich die Materialien. Bei einer Fügung von Kunststoffen kann sich ein Grenzbereich ausbilden, in welchem sich die Polymere durch Bildung eines Diffusionsbereiches verbinden. Das Schweißverfahren eignet sich insofern insbesondere zum Fügen des vorgenannt hergestellten Bauteils mit einem weiteren Bauteil aus Kunststoff. Beim Löten wird nur ein Bauteil über die Erweichungstemperatur erwärmt. Durch Adhäsion und physikalische oder mechanische Bindung erfolgt dann die Fügung mit dem weiteren Bauteil. Durch Löten kann demnach das vorgenannt hergestellte Bauteil beispielsweise an ein weiteres Bauteil aus Metall gefügt werden. Ein wie vorbeschrieben hergestelltes Bauteil hat demnach den großen Vorteil, dass seine Fügung mit weiteren Bauteilen ohne ein Klebeverfahren vorgenommen werden kann.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter durch ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff gelöst, welches nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt ist. Ein solches Bauteil umfasst eine Anzahl von in einer Matrix aus einem Duroplasten eingebundenen Lagen eines Fasermaterials, sowie eine unmittelbar angebundene Oberflächenschicht aus einem Thermoplasten.
Bevorzugt ist die Oberflächenschicht hierbei durch eine Adhäsion wie vorbeschrieben angebunden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberflächenschicht über einen Haftvermittler angebunden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils können sinngemäß den Ausführungen zum Herstellungsverfahren entnommen werden. Entsprechend ergeben sich hieraus für das Bauteil übertragene Vorteile.
Die genannte Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch einen Vorformling für ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, wie er sich insbesondere nach einer Anzahl von Teilschritten gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren ergibt. Ein solcher Vorformling umfasst einen Stapel aus einer Anzahl von Lagen eines trockenen Fasermaterials, der gasdicht mit einer thermoplastischen Folie umhüllt ist, wobei in dem vom Stapel in der Folie eingenommenen Innenraum ein Unterdruck herrscht, so dass die Lagen transportstabil fixiert sind.
Ein solcher Vorformling erhält seine Transportstabilität durch die mechanischen Eigenschaften der thermoplastischen Folie. Aufgrund des herrschenden Unterdrucks sind die Lagen komprimiert. Die umhüllende Folie wirkt aufgrund ihrer vor- handenen Elastizität einer Verformung entgegen. Der Vorformling ist transportstabil. Die Lagen sind formstabil durch die Umhüllung fixiert. Er ist zudem alterungsbeständiger, da keine aushärtbaren Harzanteile enthalten sind. Die Lagen sind bevorzugt lose aufeinander gelegt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Lagen zu einem drapierbaren Stapel gestapelt, wobei eine lokale Fixierung der Lagen aneinander vorgenommen sein kann. Die Lage und Art der Fixierung ist entsprechend der späteren Bauteilgeometrie derart gewählt, dass die
Drapierbarkeit weiter erhalten bleibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der trockene Stapel im Wesentlichen plat- tenförmig. Bevorzugt ist ein solcher plattenförmiger Stapel gasdicht zwischen Folienbahnen eingelegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch sinngemäße Übertragung der zum Herstellungsverfahren beschriebenen Ausführungsvarianten. Die Vorteile lassen sich hierbei sinngemäß übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 ein schematisches Ablaufschema zum Herstellen eines oberflächenveredelten Faserverbundbauteils und
Figur 2 schematisch die Herstellung eines oberflächenveredelten Faserverbundbauteils gemäß dem RTM-Verfahren.
In Figur 1 ist schematisch die Herstellung eines oberflächenveredelten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff dargestellt. Nach entsprechendem Zuschneiden eines plattenförmigen Fasermaterials, beispielsweise eines textilen Fasergewebes, werden mehrere dieser Faserplatten zunächst entsprechend Bild 1 lose aufeinandergestapelt. Dabei kann lokal oder abschnittsweise auch eine Fixierung beispielsweise durch Nadeln vorgenommen sein, wobei jedoch die Drapierbarkeit erhalten bleibt. Der lose oder im Wesentlichen lose (weil lokal fixiert) und trockene Faserstapel ist bezüglich der Endgeometrie drapierbar. Anschließend wird der Fa- serstapel gemäß Bild 3 mit einer thermoplastischen Folie umhüllt. Die Folie ist dabei beispielsweise schlauchförmig ausgebildet und wird über den Stapel gestreift, oder es wird der Stapel in den Folienschlauch geschoben. Die Enden des Schlauches werden miteinander verschweißt oder verklebt, so dass eine gasdichte Umhüllung gebildet ist. Die eingesetzte thermoplastische Folie ist beispielsweise als ein Folienverbund durch Koextrusion hergestellt. Auf der Außenseite der Folie ist insbesondere ein alterungsbeständiger, wasserundurchlässiger und säureresisten- ter Kunststoff eingesetzt. Auf der Innenseite ist ein Haftvermittler aufgebracht.
Gemäß Bild 6 wird anschließend der gasdichte Folieninnenraum abgepumpt. Dabei wird der lose, allenfalls unter Erhalt der Drapierbarkeit lokal fixierte und trockene Stapel des Fasermaterials komprimiert und hierdurch formstabilisiert. Die äußere Folie hüllt sich um den Stapel und verleiht zusätzlich mechanische Festigkeit sowie Schutz vor äußeren Einflüssen durch Verschmutzung, Feuchtigkeit etc. Der gemäß Bild 6 resultierende Vorformling ist formstabil und transportierbar. Die Schaffung des für den Verbundwerkstoff notwendigen Faserstapels ist dadurch von der späteren Formgebung durch ein Formwerkzeug entkoppelbar. Hierdurch ist die Verweildauer im Formwerkzeug reduziert, wodurch das Herstellungsverfahren optimiert und kostengünstiger ist.
Gemäß Bild 8 wird in den Vorformling ein flüssiger Duroplast eingebracht, der beispielsweise unter Wärmeeinwirkung aushärtet. Symbolisch ist hierbei eine Injektion angedeutet, d.h. die flüssige Phase des Duroplasten wird mittels Druck in den Innenraum injiziert. Durch den Unterdruck im Innenraum des Vorformlings erfolgt eine gleichmäßige Tränkung des Fasermaterials mit dem Duroplasten.
Gemäß Bild 9 wird der getränkte Vorformling umgeformt. Hierzu wird er beispielsweise in das Gesenk eines Formwerkzeugs eingelegt. Unter Druck wird der Vorformling samt Umhüllung durch die thermoplastische Folie zum fertigen Bauteil umgeformt. Dabei erfolgt zugleich ein Wärmeeintrag, wobei sich sowohl die thermoplastische Folie in der äußeren Geometrie des Gesenks angleicht als auch der Duroplast aushärtet. Durch das Aushärten findet insbesondere und beispielhaft eine Anbindung der thermoplastischen Folie an das Fasermaterial mittels Kraftschluss statt. Durch die Temperaturerhöhung erweicht der auf der Innenseite der Folie aufgebrachte Haftvermittler und dringt in die oberen Fasern des Fasermaterials ein. Über diese Anbindung und durch die Einbettung der Fasern in das aushärtende Harzsystem wird eine dauerfeste und unlösbare Anbindung der thermoplastischen Folie als Oberfläche an das Bauteil geschaffen.
Gemäß Bild 10 liegt anschließend nach Entformung das fertig hergestellte Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vor. Dieses Bauteil ist oberflächenveredelt. Seine Oberflächeneigenschaften werden maßgeblich durch die umhüllende thermoplastische Folie realisiert. Ein Nachbehandeln durch einen zusätzlichen Prozessschritt kann entfallen. Das Bauteil weist die gewünschte Haptik, die gewünschte Oberflächenstruktur und die gewünschten physikalischen und/oder chemischen Oberflächeneigenschaften auf. Über die thermoplastische Folie kann insbesondere auch die Farbe des Bauteils vorteilhaft gesteuert sein.
In Figur 2 ist schematisch zur Herstellung des Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff das sogenannte RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding-Verfahren) gezeigt. Ein trockener, transportstabiler und folienumhüllter Vorformling 12 wird hierbei in ein Gesenk zwischen die beiden Teile einer Gesenkpresse 14 eingelegt. Anschließend wird die Gesenkpresse 14 geschlossen, wobei der Vorformling 12 zur Topografie des gewünschten Bauteils umgeformt wird. Der Vorformling 12 ist hierbei noch nicht mit einem Duroplasten getränkt. Vom Vorformling 12 ist im Inneren ein trockener Faserstapel 16 sowie auf der Außenseite die umhüllende thermoplastische Folie 18 erkennbar.
Nach Schließung der Gesenkpresse 14 unter Umformung wird in den Folienin- nenraum des Vorformlings 12 ein flüssiger Duroplast 20 unter Druck eingebracht. Dazu ist beispielsweise Druckluft 21 vorgesehen.
Der unter Druck stehende Duroplast 20 strömt über einen entsprechenden Anguss 25 des Vorformlings 12 in dessen Innenraum und durchtränkt allmählich und gleichmäßig den trockenen Faserstapel 16. Am anderen Ende des Vorformlings 12 wird überschüssiger Duroplast über einen Abguss 26 in einen Auffangbehälter 27 abgeleitet.
Nach Durchtränkung des Vorformlings 12 wird das Gesenk der Gesenkpresse 14 erwärmt, wodurch es zur Aushärtung des eingebrachten Duroplasten 20 kommt. Das Gesenk kann jedoch auch bereits vortemperiert sein. Die thermoplastische Folie 18 ist zur Anbindung als Oberfläche beispielsweise auf der Innenseite genarbt. Der als flüssige Phase in Poren, Öffnungen und Kerben der Folie 18 eingedrungene Duroplast 20 härtet aus. Hierdurch werden mit der thermoplastischen Folie 18 Hinterschneidungen gebildet. Die thermoplastische Folie 18 ist über einen Formschluss dauerhaft dem fertigen Bauteil angebunden.
Das fertige Bauteil wird anschließend der Gesenkpresse 14 entnommen. Über die dauerfest angebundene thermoplastische Folie 18 sind die gewünschten Oberflächeneigenschaften des Faserverbundbauteils eingestellt.
Bezugszeichenliste
1 loses Stapeln
3 Umhüllen mit Thermoplasten
6 Abpumpen des Innenraums
8 Tränken mit Duroplasten
9 Umformen / Aushärten
10 Entnahme des umhüllten Bauteils 12 Vorformling
4 Gesenkpresse
16 trockener Faserstapel
18 thermoplastische Folie
20 Duroplast
21 Druckluft
23 Innenraum
25 Anguss
26 Abguss
27 Auffangbehälter
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