DE102005051439B4

DE102005051439B4 - Anwendung eines wasserdispergierbaren Stützkerns zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils

Info

Publication number: DE102005051439B4
Application number: DE102005051439.1A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Heim; Stefan Kerscher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: DE102005051439A1

Abstract

Anwendung eines wasserdispergierbaren Stützkerns aus einem Füllstoff und einem Bindemittel, das wenigstens teilweise aus einem kondensierten Phosphat und Poly(meth)acrylsäure besteht, in einem Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem der Stützkern mit den Verstärkungsfasern beflochten wird, worauf die Fasern auf dem Stützkern mit einem aushärtbaren Kunststoff getränkt werden und der Stützkern nach dem Aushärten des Kunststoffs mit Wasser ausgeschwemmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines wasserdispergierbaren Stützkerns in einem Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile wird u. a. das sogenannte RTM(Resign Transfer Molding)-Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren verwendet.
Dazu wird wenigstens eine Lage der z. B. uni- oder bidirektional gerichteten Verstärkungsfasern zwischen das Ober- und das Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt und die Faserlage mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz mit Härter getränkt, der unter Druck in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen Ober- und Unterwerkzeug injiziert wird. Ähnlich wird beim Vakuum-Injektionsverfahren vorgegangen, bei dem anstelle von Druck ein Vakuum angelegt wird, um den wärmehärtbaren Kunststoff in die Faserlage zu saugen.
Für Automobile werden zahlreiche Strukturhohlbauteile verwendet, beispielsweise die Stützsäulen, Schweller, Stoßfänger und dergleichen. Diese Hohlbauteile werden dabei meist geklebt. Die Klebestelle kann jedoch zu einem Versagen führen. Zudem lässt die Masshaltigkeit geklebter Hohlbauteile zu wünschen übrig.
Für die Herstellung von Hohlbauteilen im RTM-Verfahren werden üblicherweise heute Schmelzkerne aus Wachs eingesetzt. Die dafür eingesetzten Prozesse sind wegen der Größe der Kerne sehr aufwändig. Weiterhin bedingt der große Wärmeausdehnungskoeffizient des Wachses eine aufwändige Abstimmung der notwenigen Fertigungsmittel. Nach der eigentlichen Bauteilherstellung werden die Materialien wieder ausgeschmolzen. Dabei verbleibt auf der Werkzeuginnenwand ein Restmaterial, was zum einen das Bauteilgewicht erhöht sowie kritisch hinsichtlich Emissionen und Lackverträglichkeit bewertet wird.
Aus WO 02/072328 A1 ist ein Stützkern zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus Kunststoff bekannt, der als wasserlösliches Bindemittel Polyvinylpyrrolidon (PVP) enthält.
Zum Umwickeln des Stützkerns kann eine Flechtanlage verwendet werden, wobei sich der Stützkern im Auge der Flechtanlage befindet, während die Verstärkungsfäden unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Der Stützkern nach WO 02/072328 A1 besitzt jedoch eine zu geringe Bruchfestigkeit, um diesen hohen Abzugskräften standzuhalten.
Auch sind Stützkerne aus niedrig schmelzenden Wismutlegierungen verwendet worden. Wegen des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen der Kerne, dem hohen Gewicht und der daraus resultierenden schwierigen Handhabbarkeit, aber auch wegen der Gesundheitsgefährdung durch Wismut-Dämpfe, sind diese Kerne in der Praxis jedoch nicht verwendbar.
Ferner werden Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff eingesetzt, die in dem Bauteil verbleiben und damit zu einer entsprechenden Gewichtserhöhung führen.
Nach DE 3736574 A1 wir zur Herstellung eines Kunststoffgegenstandes ein Formkern aus wasserlöslichem Kunststoff und Füllstoff mit Rovings oder Bändern, die mit Kunststoff getränkt sind, umhüllt. Aus DE 10226817 C1 ist ein Gießkern bekannt, der sich beim Gießvorgang nicht verformt und eine so hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, dass auch Gussstücke aus hochschmelzenden Legierungen hergestellt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein RTM-Verfahren zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff einen wasserdispergierbaren Stützkern bereitzustellen, der den hohen Abzugskräften beim Umwickeln mit den Verstärkungsfasern sicher standhält.
Dies wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergeben.
Der erfindungsgemäß verwendete Stützkern zeichnet sich dadurch aus, dass das wasserlösliche Bindemittel zumindest teilweise aus einem kondensierten Phosphat und Poly(meth)acrylsäure besteht.
Der Stützkern weist einen relativ geringen Anteil an Bindemittel von vorzugsweise 0,5 bis 8, insbesondere 1 bis 5 Gew.-% und damit einen entsprechend hohen Füllstoffanteil auf. Dadurch wird eine hohe Festigkeit erzielt, sodass er den hohen Abzugskräften beim Konfektionieren, d. h. Umwickeln, insbesondere Beflechten mit den Verstärkungsfasern standhält.
Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Kohlenstofffasern eingesetzt. Jedoch können auch andere Verstärkungsfasern verwendet werden, beispielsweise Glasfasern. Die Konfektionierung wird vorzugsweise mit einer Flechtanlage durchgeführt, wie sie zum Flechten von Kabeln und Seilen verwendet wird, wobei der Stützkern im Auge der Anlage den Platz der Kabel- bzw. Seilseele einnimmt.
Die Herstellung des faserverstärkten Strukturhohlbauteils erfolgt dann vorzugsweise nach dem RTM-Verfahren. Das heißt, der konfektionierte Stützkern wird zwischen die beiden Werkzeuge, also beispielsweise das Ober- und das Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt, worauf die Verstärkungsfasern auf dem Stützkern mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz imprägniert werden, das in den Hohlraum mit dem Stützkern zwischen den beiden Werkzeugteilen injiziert wird. Dabei kann das Resign-Transfer-Molding(RTM)-Verfahren durchgeführt werden, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff unter einem Druck von 10 bar und mehr in den Hohlraum gepresst wird, oder das Vakuum-Injektionsverfahren, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff in den Hohlraum gesaugt wird. Nach dem Aushärten des Harzes wird entformt und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt, sodass das faserverstärkte Strukturhohlbauteil gebildet wird.
Der Anteil des kondensierten Phosphats beträgt vorzugsweise 0,5 bis 8 Gew.-%, der Anteil der Poly(meth)acrylsäure vorzugsweise bis zu 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs.
Das kondensierte Phosphat kann beispielsweise ein Alkalimetallpolyphosphat sein, insbesondere Natriumpolyphosphat. Jedoch können auch andere kondensierte Phosphate verwendet werden, insbesondere Alkalimetallmetaphosphat, wie Natriummetaphosphat oder ein Poly- und/oder Metaphosphatketten enthaltendes Phosphatglas.
Der Füllstoff besteht aus einem wasserunlöslichen teilchenförmigen Material, vorzugsweise zumindest teilweise aus Sand. Der Sand weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 100 bis 500 μm auf.
Der Sand hat neben der Festigkeit, die er dem Stützkern verleiht, auch bei der Herstellung des Stützkerns eine wichtige Funktion. Die Stützkerne für das erfindungsgemäße Verfahren werden nämlich vorzugsweise mit einer Kernschießmaschine hergestellt, wie sie beispielsweise in DE 102 00 927 A1 zur Herstellung von Kernen für Gießereizwecke beschrieben ist. Dabei wird ein Gemisch aus Gießereisand, in Wasser gelöstem Magnesiumsulfat als Bindemittel und Wasser in ein Formwerkzeug eingeschossen. Das Wasser wird anschließend verdampft, um den Gießkern zur Herstellung des Gussstückes zu bilden.
Damit das Gemisch aus Füllstoff, Wasser gelöstem Bindemittel und Wasser, das nach der Erfindung vorzugsweise zum Einschießen verwendet wird, die für das Einschießen in das Formwerkzeug erforderliche Fluidität aufweist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Sandanteil des Füllstoffs mindestens 30 Gew.-% beträgt.
Weiterhin enthält der Füllstoff vorzugsweise Kunststoffteilchen, normalerweise mit einer mittleren Korngröße von 100 μm bis 2 mm. Die Kunststoffteilchen sind vorzugsweise aus zerkleinerten Kunststoffabfällen gebildet. Damit die Teilchen eher kugelförmig ausgebildet sind, wird vorzugsweise Kunststoffgranulat verwendet. Durch die Kugelform wird die erwähnte Fluidität des Gemischs aus Füllstoff, gelöstem Bindemittel und Wasser entsprechend erhöht.
Durch die Kunststoffteilchen wird zudem die Elastizität des Stützkerns erhöht, also seine Sprödigkeit reduziert. Zugleich kann das Gewicht der Stützkerne durch den Einsatz von Kunststoffteilchen als Füllstoff wesentlich erniedrigt werden. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Kunststoffs am Füllstoff mindestens 10 Gew.-%. Er kann jedoch auch deutlich höher liegen und 50 Gew.-% und mehr betragen. Damit können wesentlich leichtere und damit entsprechend besser handhabbare Kerne erhalten werden.
Eine Gewichtsreduzierung der Kerne ist ferner mit Keramikteilchen oder Glashohlkugeln erzielbar. Die Keramikteilchen können beispielsweise durch Flugasche gebildet sein. Da die Flugascheteilchen ebenfalls eher kugelförmig ausgebildet sind, wird mit ihnen zugleich die für das Einschießen erforderliche Fluidität sichergestellt. Dies gilt natürlich erst recht für Glashohlkugeln als Füllstoff. Die mittlere Teilchengröße der Keramikteilchen und der Glashohlkugeln kann beispielsweise 50 bis 800 μm betragen. Das Bindemittel enthält ferner vorzugsweise 0,05 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-% Pottasche (Kaliumcarbonat), wodurch eine deutliche Erhöhung der Festigkeit des Stützkerns erreicht wird. Statt Kaliumcarbonat kann auch ein anderes Alkalimetallcarbonat verwendet werden, beispielsweise Natriumcarbonat.
Der Wasseranteil des Formstoffs, also des Gemisches aus Füllstoff, Bindemittel und Wasser, liegt vorzugsweise bei 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs. Dadurch wird die Verarbeitbarkeit des Formstoffs beim Einbringen in das Formwerkzeug, beispielsweise durch Einschießen oder Einpressen, sichergestellt. Zugleich wird damit die Benetzbarkeit der Füllstoffteilchen als Voraussetzung zur Bildung von Polyphosphatbindungen zwischen den Füllstoffteilchen gewährleistet. Der Wassergehalt wird jedoch möglichst niedrig gewählt, da der Stützkern vor dem Entformen getrocknet werden muss, damit er die erforderliche Festigkeit besitzt.
Ausführungsbeispiel
Ein bevorzugter Formstoff besteht beispielsweise aus 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2 Gew.-% kondensiertes Phosphat; 0,005 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,7 Gew.-% Poly(meth)acrylsäure; 0,05 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-% Kaliumcarbonat; 0,2 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 3 Gew.-% Wasser; und Rest Sand.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Strukturhohlbauteile aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Im Automobilbereich sind insbesondere die Stützsäulen, also die A-, B- und C-Säule, Schweller und Stoßfänger als Beispiele für solche faserverstärkte Strukturhohlbauteile zu nennen.

Claims

Anwendung eines wasserdispergierbaren Stützkerns aus einem Füllstoff und einem Bindemittel, das wenigstens teilweise aus einem kondensierten Phosphat und Poly(meth)acrylsäure besteht, in einem Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem der Stützkern mit den Verstärkungsfasern beflochten wird, worauf die Fasern auf dem Stützkern mit einem aushärtbaren Kunststoff getränkt werden und der Stützkern nach dem Aushärten des Kunststoffs mit Wasser ausgeschwemmt wird.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei das Tränken der auf den Stützkern gewickelten Verstärkungsfasern mit dem aushärtbaren Kunststoff mit dem Resin-Transfer-Molding-Verfahren durchgeführt wird.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei das Tränken der auf den Stützkern gewickelten Verstärkungsfasern mit dem aushärtbaren Kunststoff mit dem Vakuum-Injektionsverfahren durchgeführt wird.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Anteil des kondensierten Phosphats 0,5 bis 8 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs, beträgt.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Anteil der Poly(meth)acrylsäure, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs, 0,005 bis 1 Gew.-% beträgt.
Anwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kondensierte Phosphat zumindest teilweise aus Alkalimetallpolyphosphat besteht.
Anwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kondensierte Phosphat zumindest teilweise aus Alkalimetallmetaphosphat besteht.
Anwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kondensierte Phosphat zumindest teilweise aus einem Poly- und/oder Metaphosphatketten enthaltenden Phosphatglas besteht.
Anwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel 0,05 bis 5 Gew.-% Alkalimetallcarbonat enthält.
Anwendung nach Anspruch 9, wobei das Alkalimetallcarbonat Kaliumcarbonat ist.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff zumindest teilweise aus Sand besteht.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff zumindest teilweise aus Kunststoffteilchen besteht.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramikteilchen besteht.
Anwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kunststoffteilchen oder Keramikteilchen kugelförmig ausgebildet sind.
Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramik- oder Glashohlkugeln besteht.