Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und fa serverstärktes Kunststoffbauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie ein faserverstärktes Kunststoffbauteil.

Im Rahmen des Leichtbaus finden zunehmend auch faserverstärkte Kunst stoffbauteile Verwendung in Fahrzeugkarosserien. Diese weisen üblicher weise ein Matrixmaterial aus Kunststoff auf, in das zur Erzielung der notwen digen Festigkeit und mechanischen Kennwerte eine Faserverstärkung einge bettet ist. Die Faserverstärkung kann aus einer oder mehreren Schichten von Verstärkungsfasern gebildet werden, die als Gewebe, Gelege, Geflecht oder in anderer Form vorliegen. Die Herstellung derartiger faserverstärkte Kunst stoffbauteile erfolgt zum Beispiel im Resin-Transfer-Moulding (RTM)-Verfah- ren oder durch Nasspressen.

Sollen Bauteile in Carbon-Sichtoptik hergestellt werden, dann wird üblicher weise ein Matrixmaterial verwendet, das transparent aushärtet und durch das die oberste Faserschicht (dann typischerweise ein Carbon-Geflecht oder Ge webe) sichtbar bleibt.

Wünschenswert sind weitere farbliche Gestaltungsspielräume bei der Her stellung derartiger Kunststoffbauteile. Für Fahrzeugbauteile werden insbe sondere hohe Anforderungen bezüglich der Konturen der Motive, der Farb- brillanz, der Farbtiefe und der UV-Beständigkeit gestellt.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie ein mit einem Motiv verziertes faserverstärktes Kunststoffbauteil in der Serienfertigung herstellbar ist, insbesondere soll ein Bauteil in Carbon-Sichtoptik herstellbar sein. Weiterhin soll ein Kunststoff bauteil angegeben werden, das mit einem Motiv verziert ist und das den opti schen Anforderungen im Automobilbau genügt.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltun gen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Be schreibung.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbau teils angegeben, wozu ein die Faserverstärkung bildendes Faserhalbzeug gemeinsam mit einem Matrixmaterial in einem Presswerkzeug verarbeitet und ausgehärtet wird zur Bildung des Kunststoffbauteils.

Erfindungsgemäß wird nun ein mit einem Motiv versehenes textiles Einlege- teil zusätzlich zum Faserhalbzeug in das Press-Werkzeug eingelegt und durch den Pressvorgang mit in das Matrixmaterial integriert.

Weiterhin wird ein faserverstärkte Kunststoffbauteil angegeben, das eine Fa serverstärkung, die in einem Matrixmaterial eingebettet ist, und ein mit einem Motiv versehenes textiles Einlegeteil beinhaltet. Das textile Einlegeteil ist auf der Faserverstärkung angeordnet und in das Matrixmaterial eingebettet.

Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann insbesondere ein Fahrzeugbauteil sein, z.B. ein Karosseriebauteil oder - anbauteil. Es kann insbesondere mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden und beinhaltet daher die selben technischen Wirkungen und Vorteile. Das Faserhalbzeug beinhaltet mindestens eine Schicht von Verstärkungsfa sern, wie z.B. Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern. Das Faserhalbzeug liegt vorzugsweise als Stapel (Stack) aus mehreren Schichten von Verstär kungsfasern vor. Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise uni- oder bidi rektional ausgerichtet. Das Faserhalbzeug kann z.B. als flächiges, ggf. vor geformtes, Flalbzeug vorliegen oder beispielsweise um einen Stützkern an geordnet sein. Vorzugsweise beinhaltet das Faserhalbzeug ein Carbon-Ge webe.

Das textile Einlegeteil kann z.B. ein Gelege, Gewebe oder Vlies sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das textile Einlegteil eine Maschenware, ins besondere ein Gewirk. Eine Maschenware ist ein Flächengebilde, das aus ei nem oder mehreren Fäden oder aus einem oder mehreren Fadensystemen durch Maschenbildung hergestellt ist. Bei den Maschenwaren wird eine Fa denschlinge in eine andere geschlungen. Zur Erzeugung eines Gewirks bil det der Faden übereinanderstehende Maschen, d.h. der Faden verläuft senk recht und bildet mit dem benachbarten Faden ein Maschenstäbchen, wäh rend beim Stricken eine Masche neben der anderen hergestellt wird, der Fa den somit horizontal verläuft. Die vorhandenen Maschen schaffen Zwischen räume zwischen den Fasersträngen. Diese füllen sich mit Matrixmaterial und bilden eine Vielzahl von„Tunneln“, durch die das darunter liegende Material angebunden ist. Maschenware zeigt gegenüber Gewebe oder Vlies gleicher Gravur eine deutlich höhere Durchlässigkeit für Matrixmaterial. Zwischen den Maschen sind jeweils tunnelförmige Flohlräume vorhanden, durch die das Matrixmaterial relativ widerstandsfrei fließen kann, hierdurch wird trotz der Elastizität der Maschenware ein Verrutschen oder Verziehen des Einlegeteils während des Infiltrationsprozesses verhindert. Zudem erzielt die Verwendung von Gewirk eine besondere Farbtiefe. Durch die tunnelartigen Maschenzwi schenräume kann die darunter liegende Struktur der Faserverstärkung durchscheinen. Das menschliche Auge kombiniert dabei die Farberschei- nung des Musters mit der Strukturerscheinung der Zwischenräume, so dass das Muster im fertigen Bauteil so erscheint, als wäre es auf die Faserverstär kung direkt aufgedruckt.

Das textile Einlegeteil ist nicht auf bestimmte Materialien beschränkt und kann z.B. aus Natur- oder Kunstfasern hergestellt sein. Bevorzugt weist das textile Einlegeteil Polyesterfasern auf, vorzugsweise ist das textile Einlegeteil aus Polyester ausgebildet. Polyester zeigt eine gute thermische Beständig keit gegenüber hohen Temperaturen, wie sie bei der Weiterverarbeitung z.B. im RTM-Verfahren auftreten können. Die von Natur aus farblosen und natur trüben Polyesterfasern haben ein gutes Farbaufnahmevermögen, durch Ein färben lässt sich eine hohe Farbsättigung erreichen. Darüber hinaus saugen sie sich während der Fierstellung des Kunststoffbauteils mit dem Matrixmate rial voll. Dabei zeigen die Polyesterfasern die vorteilhafte Eigenschaft, dass sie (annähernd) transparent werden („Nass-Effekt“). Flierdurch bleiben mit Flarz getränkte Polyesterfasern milchig durchscheinend und die hinter dem Einlegeteil liegende Faserverstärkung wird zum Teil sichtbar.

Das textile Einlegeteil ist mit einem Motiv versehen. Das Motiv kann ein z.B. ein Muster, eine Schrift oder ein Markenzeichen sein. Das Motiv kann sich über das gesamte Einlegeteil oder nur einen Teil des Einlegeteils erstrecken.

Das mit dem Motiv bedruckte Einlegeteil kann in Weiß, Schwarz oder in ein oder mehreren anderen Farbtönen farbig gestaltet sein. Das Einlegeteil kann ein- oder mehrfarbig gestaltet sein. Das Einlegeteil kann z.B. aus eingefärb ten Fasern hergestellt werden. Das Einlegeteil kann ebenso als Textil herge stellt und dann mit einem Aufdruck versehen werden. Als Druckverfahren eignen sich besonders die Direktdruckverfahren. Beim Direktdruck werden über einen Druckkopf einzelne Farbtropfen direkt auf das zu bedruckende Substrat aufgetragen. Es lässt sich eine große Palette an Farbtönen und eine hohe Auflösung der aufgedruckten Motive umsetzen. Nach dem Aufträgen wird das bedruckte Textil erwärmt, die Tinte trocknet bzw. härtet aus.

Besonders bevorzugt wird das Einlegeteil im Latexdruck bedruckt. Hierbei wird eine Latex-Tinte verwendet und aufgetragen. Dabei enthält die Latex- Tinte nahezu keine flüchtigen Verbindungen wie z.B. Lösemittel. Mit dem La texdruck lässt sich eine sehr gute UV-Stabilität der Farbe auf dem Textil er zielen. Durch den Wärmeeintrag im Rahmen des Verfahrens wird eine stabile und UV-beständige Verbindung mit dem textilen Halbzeug erzielt. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Latex-Tinte leicht in die Fasern des Textils eindringt und nicht als Sperrfilm auf dem Textil aufliegt. Die textile Struktur bleibt weit gehend erhalten und somit für die nachfolgende Infiltration mit Matrixmaterial zugänglich. Ist das Textil zudem noch als Gewirk ausgebildet, so setzt die Maschenware dem Matrixmaterial nur einen geringen Fließwiderstand entge gen. Das Matrixmaterial kann die Maschen durch die Hohlräume umfließen und allseitig umschließen.

Um eine optisch einwandfreie Class-A Oberfläche und gleichzeitig eine bril lante Farbtiefe und Sättigung zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft herausge stellt, wenn das textile Einlegeteil eine Gravur im Bereich von 50 g/m ² bis 150 g/m ² aufweist. Ein Polyester-Gewirk mit dieser Gravur hat zusätzlich den Vor teil, dass es in das Formwerkzeug eingebracht werden kann, ohne dass eine Werkzeugänderung oder eine Prozessanpassung erforderlich ist.

Ein Polyestergewirk mit einer Gravur von weniger oder bis zu 1 10 g/m ² wird üblicherweise primär als Fahnenstoff benutzt. Im Fahnendruck ist die Ver wendung von Latexdruck eher unüblich, da mit diesem Druckverfahren ge genüber anderen Druckverfahren eine geringere Farbintensität erzielt werden kann. Zudem liegt die Latexfarbe auf bzw. leicht in der Faser, was beim Handling des bedruckten Textils zu unerwünschtem Faserbruch führt. Über raschender Weise hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Weißbruch nach der Harzinjektion verschwindet und dass ein Polyester-Gewirk derart feiner Gra vur, wenn es im Latexdruck bedruckt ist, und als Einlegeteil im Kunststoff bauteil verarbeitet ist, dennoch eine hohe Farbbrillanz zeigt und eine sehr hohe UV-Beständigkeit aufweist.

Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils werden der textile Einleger und das Faserhalbzeug in die Kavität eines Presswerkzeugs einge legt. Dort werden die beiden Halbzeuge gemeinsam mit einem Matrixmaterial in die Form des herzustellenden Bauteils gepresst und das Matrixmaterial wird ausgehärtet.

Das Verfahren kann ein Injektionsverfahren, wie z.B. das Resin Transfer Mol ding (RTM)-Verfahren sein. Beim RTM-Verfahren wird das Faserhalbzeug in die Werkzeugkavität eingelegt, das Werkzeug wird geschlossen und das un gehärtete Matrixmaterial wird unter Druck in die Kavität injiziert. Das Matrix material infiltriert das Faserhalbzeug und härtet aus.

In einer alternativen Ausgestaltung wird das Kunststoffbauteil durch Nass pressen hergestellt. Hierzu wird das Faserhalbzeug bereits vor dem Schlie ßen des Presswerkzeugs mit dem Matrixmaterial versehen. Während des Schließvorgangs verteilt sich das vorab zugegebene Matrixmaterial über die Werkzeugkavität und benetzt die Fasern des Faserhalbzeugs.

Das textile Einlegeteil kann unabhängig von dem Faserhalbzeug in das Werkzeug eingelegt werden oder gemeinsam mit dem Faserhalbzeug. Wird das textile Einlegeteil gemeinsam mit dem Faserhalbzeug eingebracht, so ist es vorzugsweise an diesem fixiert, z.B. durch einen Klebstoff oder eine Hef tung. Hierdurch wird ein Verrutschen des Einlegeteils während des Einlegens und des nachfolgenden Verpressens verhindert. Findet die Bauteilherstellung im Nasspressverfahren statt, so kann anstelle eines separaten Fixiermittels auch das aufgetragene Matrixmaterial zur Fixierung des textilen Einlegeteils am Faserhalbzeug dienen.

Aufgrund der im RTM-Verfahren hohen Injektionsdrücke und weiten Fließ wege des Matrixmaterials ist es vorteilhaft, wenn das textile Einlegeteil in ei ner Ausgestaltung relativ zum Werkzeug fixiert wird. Flierzu kann das textile Einlegeteil z.B. über die gesamte Länge oder Breite der Kavität reichen und im Randbereich mittels einer Spannvorrichtung positioniert und fixiert wer den.

Damit das Motiv des Einlegeteils später sichtbar ist, wird das textile Einlege teil vorzugsweise so in das Werkzeug eingelegt, dass es im fertigen Bauteil die Sichtseite bildet, d.h. von der Sichtseite aus betrachtet bildet das textile Einlegeteil die oberste Faserschicht im fertigen Bauteil. Mit anderen Worten gesagt wird das textile Einlegeteil vorzugsweise auf einer der Sichtseite des Bauteils zugewandten Seite der Faserverstärkung angeordnet.

Das verwendete Matrixmaterial ist vorzugsweise ein reaktives Harzsystem, das neben dem Harz und einem Härter noch weitere Inhaltsstoffe beinhalten kann. Vorzugsweise beinhaltet die Kunststoffmasse weiterhin ein internes Trennmittel. Das Matrixmaterial ist beispielsweise ein transparent aushärten des Harzsystem, wobei je nach gewünschtem Erscheinungsbild des Bauteils auch die Zugabe von Farbstoffen denkbar ist.

Durch die voranstehend geschilderten Vorteile eignet sich das Verfahren be sonders zur Herstellung von Bauteilen in Serienprozessen bis hin zur Groß serie und damit für die Fahrzeugindustrie. Bei Bauteilen in Sichtcarbon-Optik kann ein Erscheinungsbild erzeugt werden, als wenn ohne textiles Einlegeteil gearbeitet würde. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem Verfahren ein Fahrzeugbauteil, wie z.B. ein Karosseriebauteil oder Ka rosserieanbauteil hergestellt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs wesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Fland der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfah rensablaufs,

Figur 2A eine Schnittansicht eines Fahrzeugbauteils und

Figur 2B eine Draufsicht auf das Fahrzeugbauteil aus Figur 2A.

Bei dem Verfahren wird zunächst ein textiles Einlegeteil 1 bereitgestellt. Das Einlegeteil 1 ist farbig gestaltet, z.B. mit einem Motiv 2, hier einem Schriftzug. Das Motiv 2 kann beispielsweise ein Markenemblem o.ä. sein. Das Motiv 2 kann sich über das gesamte Einlegeteil 1 oder nur einen Teil des Einlegeteils erstrecken. Das textile Einlegeteil 1 ist vorzugsweise ein Polyester-Gewirk mit einer Gravur im Bereich von 50 g/m ² bis 150 g/m ² . Die farbige Gestaltung des Einlegeteils 1 erfolgt vorzugsweise durch Latexdruck mit geeigneten Far ben. Das textile Einlegeteil 1 wird gemeinsam mit einem Faserhalbzeug 8 und ei nem Matrixmaterial 9 in einem temperierten Presswerkzeug 3 weiterverarbei tet. Das Presswerkzeug 3 beinhaltet eine Kavität, welche die Außenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils abbildet. Die Kavität wird durch die Innenwandung 4, 5 der Werkzeugteile 6 und 7 begrenzt.

Bevorzugt wird das Verfahren als RTM-Verfahren durchgeführt. Hierzu wer den zunächst das textile Einlegeteil 1 und das Faserhalbzeug 8 in die Kavität des Werkzeugs eingelegt. Das Faserhalbzeug 8 bildet die spätere Faserver stärkung im Bauteil. Das textile Einlegeteil 1 leistet keinen nennenswerten Beitrag zur Festigkeit des Bauteils.

Das textile Einlegeteil 1 kann beispielsweise unabhängig vom Faserhalbzeug 8 in das Werkzeug 3 eingelegt werden, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Vor zugsweise wird das textile Einlegeteil 1 dann relativ zum Werkzeug 3 fixiert. Reicht das textile Einlegeteil 1 über eine gesamte Breite oder Länge des Bauteils, so kann es z.B. mittels einer Spannvorrichtung am Werkzeug ge spannt und positioniert werden.

Das textile Einlegeteil 1 kann auch zunächst am Faserhalbzeug 8 positioniert und fixiert werden, z.B. mit einem Klebstoff oder geheftet, und dann gemein sam mit dem Faserhalbzeug 8 in das Presswerkzeug 3 eingebracht werden.

Das Werkzeug 3 wird geschlossen und es wird ein aushärtbares Matrixmate rial 9, z.B. ein mit Härter versetztes Epoxidharz, mittels eines nicht darge stellten Einfüllsystems unter Druck in das geschlossene Werkzeug 3 injiziert. Dort durchtränkt die Kunststoffmasse das Faserhalbzeug 8 und das textile Einlegeteil 1. Alternativ kann das Kunststoffbauteil 20 auch im Nasspressverfahren herge stellt werden. Dann wird das Faserhalbzeug 8 nicht erst im Werkzeug 3 mit Matrixmaterial 9 benetzt, sondern das Matrixmaterial ist bereits auf dem Fa serhalbzeug 8 aufgebracht, wenn dieses in das Presswerkzeug 3 eingelegt wird. Für die Fierstellung im Nasspressverfahren ist es vorteilhaft, wenn der textile Einleger 1 zunächst auf dem Faserhalbzeug fixiert wird. Dies kann auf grund des bereits vorhandenen Matrixmaterials ohne zusätzliche Fixiermittel erfolgen. Alternativ kann der textile Einleger auch direkt im Werkzeug positio niert werden.

Das Motiv 2 auf dem textilen Einlegeteil 1 soll im fertigen Kunststoffbauteil 20 sichtbar sein. Deshalb wird es im Presswerkzeug 3 vorzugsweise so plat ziert, dass das Einlegeteil mit dem Motiv 2 auf der späteren Sichtseite des Bauteils angeordnet ist.

Figur 2A zeigt eine Schnittansicht durch ein Kunststoffbauteil 20, welches mit dem Verfahren gemäß Figur 1 hergestellt wurde. Bei dem Kunststoffbauteil 20 handelt es sich um ein Fahrzeugbauteil, wie beispielsweise ein Fahrzeug dach oder ein anderes Karosserie(an)bauteil. Das Kunststoffbauteil 20 bein haltet die in das Matrixmaterial 9 eingebundene Faserverstärkung 8, welche vorzugsweise aus mehreren Schichten von Carbonfaser-Gewebe gebildet ist. Da als Matrixmaterial 9 ein durchsichtig aushärtendes Flarzsystem verwendet wurde, bleibt die Carbon-Struktur im fertigen Kunststoffbauteil 20 sichtbar.

Auf der Sichtseite 22 des Kunststoffbauteils 20 ist das textile Einlegeteil 1 in die Kunststoffmatrix 9 eingebunden. Hierbei sind die nicht mit dem Motiv 2 bedruckten Polyesterfasern unter dem Einfluss des Flarzsystems milchig trüb geblieben. Die darunterliegende Carbon-Struktur 24 ist weiterhin sichtbar. Auch im Bereich des Motivs ist die Carbon-Struktur noch erkennbar, da auf grund des eingesetzten Materials und Druckverfahrens die Maschenzwi- schenräume nicht mit Farbe gefüllt sind und die darunterliegende Gewe bestruktur noch durchscheinen lassen. Figur 2B zeigt eine Draufsicht auf die Sichtseite 22 des Kunststoffbauteils 20.

Die Größe und Form des Einlegteils kann variieren um unterschiedliche Mo tive abzubilden oder Effekte zu erzeugen. Beispielsweise kann das Einlege- teil als Streifen über die gesamte Bauteilbreite oder -länge reichen oder es kann ein Einlegeteil verwendet werden, welches das Faserhalbzeug 8 im ge samten Bauteil überdeckt.

Bezugszeichenliste

1 textiles Einlegeteil

2 Motiv

3 Press-Werkzeug

4, 5 Innenwandung

6, 7 Werkzeugteile

8 Faserhalbzeug

9 Matrixmaterial

20 faserverstärktes Bauteil

22 Sichtseite

24 Carbon-Struktur