Faserverbund-Mehrschicht-Karosseriebauteil und dessen Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Mehrschicht- Karosseriebauteils mit einer Class-A-Oberfläche sowie ein Karosseriebauteil.

Faserverstärkte Kunststoffe werden im Kraftfahrzeugbau zunehmend für Karosseriebauteile eingesetzt, da sie leicht formbar sind und bei hoher Stabilität ein geringes Gewicht aufweisen. Allerdings kommt es bei lackierten faserverstärkten Kunststoffbauteilen im Sichtbereich bei der Einwirkung von klimatischen Veränderungen wie Wärme, Kälte oder Luftfeuchtigkeit zu deutlich sichtbaren Abbildungen einzelner Fasern an der Lackoberfläche. Die dadurch entstehende unruhige und matte Oberfläche erfüllt nicht die Qualitätsanforderungen einer Class-A-Oberfläche für den Sichtbereich einer Kraftfahrzeugkarosserie.

Ein Karosseriebauteil mit qualitativ hochwertiger Oberfläche und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in der DE 102 07 295 A1 beschrieben. Zunächst wird hier eine außenseitige, dünne, gefärbte Kunststofffolie bereitgestellt, auf die innenseitig eine Schutzschicht zur Bildung eines Zwischenprodukts aufgebracht wird. Die Formgebung kann entweder an der Kunststofffolie oder an dem Zwischenprodukt aus Kunststofffolie und innenseitiger Schutzschicht durch Tiefziehen vorgenommen werden. Das Zwischenprodukt wird anschließend innenseitig mit einem Kunststoff zur Bildung einer faserverstärkten Schicht hinterschäumt, wobei gleichzeitig die Zufuhr der Verstärkungsfasern erfolgt. Da die Kunststofffolie außenseitig extrem glatt ist, kann sie eine Class-A-Oberfläche bilden.

In ähnlicher Weise schlägt die DE 103 08 582 A1 vor, eine tiefgezogene, folienartige Außenhaut bereitzustellen, auf die ein dünner Film aus flüssigem Kunststoff aufgetragen wird, der nach dem Aushärten verhindert, dass beim anschließenden Hinterschäumen mit einem faserverstärkten Werkstoff das äußere Erscheinungsbild der Außenhaut beeinträchtigt wird. In der DE 10 2006 049 913 A1 werden ein Formteil mit einer dekorativen O- berfläche und ein Verfahren zu seiner Herstellung offenbart. Auch hier besteht die dekorative Oberfläche aus einer thermoplastischen Folie, auf die innenseitig eine elastische Zwischenschicht aufgebracht ist. Die thermoplastische Folie wird zunächst tiefgezogen, bevor die elastische Zwischenschicht durch Gießen, Sprühen oder Koextrudieren aufge- bracht wird. Abschließend wird ein Kunststoffträgerteil durch Hinterspritzen, Hinterschäumen, Hinterpressen oder Hinterlaminieren hergestellt.

Ein Nachteil bei diesen Vorgehensweisen ist, dass zunächst eine Kunststofffolie hergestellt werden muss, aus der anschließend durch ein Umformverfahren wie Tiefziehen eine freitragende Bauteilform erzeugt wird. Um eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten, muss die hierfür eingesetzte Kunststofffolie eine ausreichende Dicke aufweisen. In der DE 102 07 295 A1 sind beispielsweise 1 ,3 mm offenbart. Die Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik erfordern zur Erreichung von Class-A-Oberflä- chen eine Reihe von Verfahrensschritten und sind nur mit einem gesteigerten Materialaufwand realisierbar.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Karosseriebauteils mit Class-A-Oberfläche bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Karosseriebauteil mit Class-A- Oberfläche zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Karosseriebauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Mehrschicht-Karosseriebauteils mit einer Class-A-Oberfläche umfasst zunächst den ersten Schritt a), ein In-Mould-Coating-System mit internem Trennmittel in eine Form sprüheinzutragen, deren Innenseite die Oberfläche des Karosseriebauteils abbildet. Dadurch wird eine erste Schicht gebildet, die zumindest teilweise aushärten gelassen wird. Im nächsten Schritt b) wird ein Polymerwerkstoff ebenfalls sprüheingetragen und zumindest teilweise aushärten gelassen, wobei diese zweite Schicht als Dämpferlage ausgebildet wird. Sodann wird in einem dritten Schritt c) ein Faserwerkstoff und ein weiterer, matrixbildender Polymerwerkstoff in die Form auf die Dämpferlage eingebracht, und der Faserwerkstoff mit dem matrixbildenden Polymerwerkstoff imprägniert. Ein weiterer Schritt d) folgt mit dem zumindest teilweise aushärten lassen des matrixbildenden Polymerwerkstoffs, wobei eine faserverstärkte Verbundschicht gebildet wird, die die Dämpferlage, nicht jedoch die IMC- Schicht kontaktiert. So können sich vorteilhaft die Fasern des Faserwerkstoffs nicht an der Oberfläche des Karosseriebauteils abbilden. Im letzten Schritt e) wird das fertige, mehrschichtige Faserverbund-Karosseriebauteil entformt.

Durch die zwischen der ersten Schicht und der faserverstärkten Verbundschicht angeordnete Dämpferlage wird zuverlässig verhindert, dass sich einzelne Fasern aus dem Faserwerkstoff in der außen liegenden IMC-Schicht abbilden und damit das äußere Erscheinungsbild des Karosseriebauteils beeinträchtigen.

Ferner ist das vorliegende Verfahren effizient, da es wenige Verfahrensschritte benötigt. Die außen liegende IMC-Schicht, die direkt die Class-A-Oberfläche ausbildet, wird unmittelbar in der Form für das Karosseriebauteil erzeugt und mit der innen liegenden Dämpferlage versehen. Es muss daher keine separate Folie hergestellt und beispielsweise durch Tiefziehen umgeformt werden. Damit lässt sich neben der Anzahl der Verfahrensschritte auch der apparative Aufwand verringern. Zudem kann die Menge der eingesetzten Materialien reduziert werden, da für die IMC-Schicht als außen liegende Oberfläche weniger Material verwendet werden kann als für eine separate Folie.

Das Sprüheintragen des Dämpfer-Polymerwerkstoffs in die Form kann zeitlich getrennt erfolgen, so dass auf die In-Mould-Coating-Schicht gesprüht wird. Alternativ können aber auch die erste und die zweite Schicht zu einer kombinierten IMC-Dämpferschicht zusam- mengefasst werden, indem die ersten beiden Schritte a), b) gemeinsam durch Sprüheintragen eines kombinierten In-Mould-Coating- und Dämpfer-Polymerwerkstoffs durchgeführt werden.

Das Einbringen des Faserwerkstoffs in Schritt drei kann durch das Einlegen einer oder mehrerer Faseranordnung realisiert werden. Unter einer Faseranordnung wird hierbei eine Fasermatte, ein Fasergeflecht, ein Fasergewebe, ein Faservlies, ein Faserband, ein Faserbündel etc. verstanden. Das Einlegen der Faseranordnung(en) in die Form erfolgt, bevor der matrixbildende Polymerwerkstoff in die Form eingebracht wird, was beispielsweise durch Sprühen, Spritzen, Streichen oder Gießen geschehen kann. Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung einer Fasereinlage können geschnittene Kurz-, Lang- oder Endlosfasern verwendet werden, die in einem Gemisch zusammen mit dem matrixbildenden Polymerwerkstoff etwa durch Sprühen, Spritzen, Streichen oder Gießen in die Form eingebracht werden. So kann die Bildung der faserverstärkten Verbundschicht auf bekannte Weise durch ein Fasersprüh-Verfahren, einen Resin-Transfer-Moulding-Prozess (RTM-Prozess) oder einen Sheet-Moulding-Compound-Prozess (SMC-Prozess) ausgeführt werden.

Das Eintragen des Faserwerkstoffs, beispielsweise durch ein Fasersprüh-Verfahren, ermöglicht abhängig von der Art des verwendeten Faserwerkstoffs eine große Flexibilität in Bezug auf die Dicke und die Dichte der eingebrachten Faserschicht. Der Einsatz eines RTM-Prozesses ermöglicht für das erfindungsgemäße Karosseriebauteil eine Leichtbau- Serienfertigung mit großen Stückzahlen. Alternativ dazu bildet der SMC-Prozess die Möglichkeit, die notwendigen Komponenten Faserwerkstoff und Polymerwerkstoff vorgemischt bereitzustellen und direkt der Weiterverarbeitung in der Form zuzuführen.

Vorteilhafter Weise kann durch den Eintrag der IMC-Schicht, je nach Qualitätsanspruch, eine werkzeugfallende Oberflächenschicht oder eine Lackiergrundlage erzeugt werden. So kann die IMC-Schicht beispielsweise mittels eines farbgebenden IMC-Systems als fertige Lackoberfläche ohne jegliche Nachbearbeitungsschritte oder aufgrund der erzeugten Class-A-Oberfläche als Lackiergrundlage ausgeführt werden.

Die Verwendung der IMC-Schicht als Oberfläche des Karosseriebauteils hat den Vorteil einer großen Designfreiheit, sowie abhängig von den eingesetzten Werkstoffen, eine sehr gute Licht- und Alterungsbeständigkeit. Da im erfindungsgemäßen Verfahren nur eine dünne IMC-Schicht in der Form aufgebracht wird, können Lösemittelgehalte gering sein, womit die Emissionen verringert werden könnten. Zudem ermöglicht die IMC-Schicht eine sehr gute Haftung an der gleichzeitig oder anschließend aufgebrachten innen liegenden Dämpferlage.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein IMC-System mit internem Trennmittel einsetzen, das im Wesentlichen einen härtbaren Lack oder einen Kunststoff umfasst. Es können Zwei-Komponenten-Lacksysteme zum Einsatz kommen.

Die Polymerwerkstoffe zur Bildung der Dämpferlage und der Matrix der faserverstärkten Verbundschicht können im Wesentlichen ein Kunstharz oder ein Polyurethan enthalten; es kann für beide Schichten ein unterschiedlicher oder vorteilhaft der gleiche Polymerwerkstoff verwendet werden, so dass sich beide Schichten gut verbinden. Die Fasern des Faserwerkstoffs können aus einem Kohle-, bzw. Carbon- oder Kohlenstoff-, Glas- oder Kunststoffmaterial oder Kombinationen davon bestehen, denkbar ist ferner der Einsatz von Keramik- oder Metallfasern. Die Verwendung eines härtbaren Lacks für die außen liegende I MC-Schicht stellt bei dem erfindungsgemäßen Karosseriebauteil die fertige Oberfläche bereit, ohne dass Nacharbeiten nötig sind. Da die IMC-Schicht Farbpigmente enthalten und somit bereits eine gewünschte Farbgebung aufweisen kann, kann eine nachfolgende Lackierung Kosten sparend wegfallen.

Alternativ dazu kann ein Kunststoff verwendet werden, der als Lackiergrundlage dient. Abhängig von dem Material der außen liegenden IMC-Schicht kann das Material für die Dämpferlage ausgewählt werden, um eine optimale Haftung der Schichten aneinander zu ermöglichen. Das gleiche gilt für den Polymerwerkstoff der faserverstärkten Verbundschicht, der wie das Material der Dämpferlage verschiedene Kunstharze oder Polyurethane enthalten kann.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Karosseriebauteil mit einer Class-A-Oberflä- che. Dieses kann insbesondere durch das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Karosseriebauteils erhalten werden. Das Karosseriebauteil umfasst eine erste Schicht, die eine außen liegende IMC-Schicht ist, deren Oberfläche als fertige Lackoberfläche oder als Lackiergrundlage ausgebildet ist. Eine zweite Schicht wird durch eine innen liegende Dämpferlage gebildet, die an einer von der Oberfläche abgewandten Seite der In-Mould-Coating-Schicht anliegt. Anliegend an der innen liegenden Dämpferlage befindet sich eine faserverstärkte Verbundschicht. Die Dämpferlage ist dabei so ausgeführt, dass die Fasern der faserverstärkten Verbundschicht nicht mit der außen liegenden IMC-Schicht in Kontakt kommen und sich somit nicht an der Oberfläche des Karosseriebauteils abbilden, die durch die In-Mould-Coating-Schicht gebildet wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Karosseriebauteils liegt neben der Vermeidung der oberflächlichen Faserabbildung in seiner einfachen Herstellung, durch die mit geringerem Verfahrensaufwand und reduziertem Materialeinsatz ein Karosseriebauteil mit Class-A-Oberfläche geschaffen wird.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Karosseriebauteils kann zunächst eine Negativwerkzeugform bereitgestellt werden. Das IMC-System mit internem Trennmittel wird zur Bildung der IMC-Schicht "in die Form lackiert", d. h. vorzugsweise durch Sprüheintrag appliziert, und in einem anschließende Härtungsprozess fertig gestellt. Durch die Güte der Negativwerkzeugform und die vorteilhaften Eigenschaften des IMC-Systems ist eine Nachbearbeitung der entstehenden Oberfläche überflüssig. Hierfür kann bereits ein Lacksystem mit Farbpigmenten verwendet werden, das in Farbe und Oberflächenstruktur dem Lack der übrigen Karosserie entspricht. Ein aufwändiges Nachlackieren des erfindungsgemäßen Karosseriebauteils kann somit entfallen.

Durch die mittels der Dämpferlage von der Faserverbundschicht getrennte IMC-Schicht ist das Karosseriebauteil auch nach dauerhaften Witterungseinflüssen durch Licht, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen alterungsbeständig und weist keine Abbildung der Fasern auf.

Ein Faseranteil in der faserverstärkten Verbundschicht kann bei ca. 15 Vol.-% bis ca. 60 Vol.-% liegen. Durch die geeignete Auswahl des matrixbildenden Polymerwerkstoffs und des Faserwerkstoffs sowie der Variation der Volumenverhältnisse können Schwin- dungsverhalten und Wärmedehnung in gewissen Grenzen eingestellt werden.

Beispielsweise kann in einem Fasersprüh-Verfahren ein noch flüssiges Reaktionsgemisch (beispielsweise Polyurethan) mit Fasern (beispielsweise Langfasern mit einer typischen Länge von 5 bis 25 mm) im Sprühauftrag aus einem beweglichen Mischkopf auf die Dämpferlage aufgetragen werden. Hierbei können die Fasern unmittelbar am Mischkopf geschnitten und in den Sprühstrahl befördert werden. Das Reaktionsgemisch kann unter Druck und/oder Einwirkung von Wärme zur faserverstärkten Schicht aushärten.

Ein weiteres Verfahren ist der RTM-Prozess, der es ermöglicht, in der Leichtbauserienfertigung größere Stückzahlen zu bewältigen. Zunächst wird eine Faseranordnung bzw. Fasereinlage auf die Dämpferlage in der Negativwerkzeugform eingelegt, diese wird geschlossen, um den matrixbildenden Polymerwerkstoff in die Werkzeugkavität einzubringen, bspw. zu injizieren. Nach der vollständigen Füllung der Kavität wird der Polymerwerkstoff bei der vorgegebenen Verarbeitungstemperatur ausgehärtet. Je nach verwendetem Polymerwerkstoff muss eine vorgegebene Schließkraft durch das geschlossene Formwerkzeug aufgebracht werden, um es im geschlossenen Zustand zu halten.

Ferner kann ein SMC-Prozess zur Bildung der faserverstärkten Verbundschicht geeignet sein. Dabei werden die notwendigen Komponenten aus Faserwerkstoff und Polymerwerkstoff bereits vorgemischt und liegen fertig zur Verarbeitung vor. Das Komponentengemisch wird zu flexiblen Folien oder Platten verarbeitet und so als SMC-Halbzeug bereitgestellt. Das SMC-Halbzeug lässt sich auf eine gewünschte Form zuschneiden und in die Negativwerkzeugform einlegen. Mittels Fließpressen oder anderer geeigneter Vorgänge wird das SMC-Halbzeug zum fertigen Bauteil weiter verarbeitet.

Nach dem abschließenden Aushärten der Komponenten und dem Verbund zwischen den Schichten wird das fertige Karosseriebauteil entformt und kann ohne weitere Oberflächenbehandlung direkt der Montage zugeführt werden.