DE102006018286A1

DE102006018286A1 - Hybridbauteil mit einer Verstärkungsstruktur in einer Kunststoffmatrix und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006018286A1
Application number: DE200610018286
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Ing. Reese (Fh)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil, das eine Verstärkungsstruktur mit gekrümmter Form aufweist, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist, wobei die Verstärkungsstruktur als endlosfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug ausgebildet ist. Ein derartiges Halbzeug kann nahezu beliebige Form aufweisen und durch alle üblichen Einbettungsverfahren, insbesondere (Spritz)gießen, Schäumen, (Fließ)pressen etc., in beliebige Kunststoffmatrizen als Verstärkungsstruktur eingebunden werden, wobei die Anbindung in der Regel besser ist als im Vergleich zu metallischen Verstärkungsstrukturen. Darüber hinaus ist eine faserverstärkte Verstärkungsstruktur meist leichter als eine metallische.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil mit einer Verstärkungsstruktur in einer Kunststoffmatrix und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 4. Ein derartiges Hybridbauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung sind z.B. aus der DE 10 2004 039 799 A1 bekannt.
Üblicherweise werden Hybridbauteile mit metallischen Verstärkungsstrukturen, insbesondere mit tiefgezogenen Blecheinsätzen versteift. Komplexere Einsetze müssen aufwendig zusammengesetzt werden, Tiefziehwerkzeuge sind teuer, die Materialanbindung Metall-Kunststoff ist vergleichsweise gering stabil. Metall-Einsätze sind verhältnismäßig schwer. Alternativ zu Verstärkungsstrukturen aus Metall-Einsätzen können größere Wandstärken oder Verrippungen angebracht werden. Dies ist bei vielen Anwendungen jedoch nicht möglich oder nicht gewünscht.
Aus der DE 33 41 292 A1 sind endlosfaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge bekannt, die durch Warmwalzen in Endlosprofile beliebiger Querschnittgeometrie umgeformt werden können. Als geeignete Faserverstärkungen werden unidirektionale oder verdrillte Faserbündel genannt. Die Faserbündel sind ein oder mehrkomponentig ausgestaltet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives Hybridbauteil mit einer Verstärkungsstruktur in einer Kunststoffmatrix und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welche bei vergleichbaren oder besseren Eigenschaften möglichst kostengünstiger sind.
Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Hybridbauteil und Verfahren durch die Merkmale des Patentansprüche 1 und 4 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Hybridbauteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es eine Verstärkungsstruktur mit gekrümmter Form aufweist, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist, wobei die Verstärkungsstruktur als endlosfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug ausgebildet ist.
Ein derartiges Halbzeug kann nahezu beliebige Form aufweisen und durch alle üblichen Einbettungsverfahren, insbesondere (Spritz-)gießen, Schäumen, (Fließ-)pressen, etc., in beliebige Kunststoffmatrizen als Verstärkungsstruktur eingebunden werden, wobei die Anbindung in der Regel besser ist als im Vergleich zu metallischen Verstärkungsstrukturen. Darüber hinaus ist eine faserverstärkte Verstärkungsstruktur meist leichter als eine metallische.
Vorzugsweise ist die Verstärkungsstruktur als umgeformtes Halbzeug ausgebildet. Dies erfordert nur vergleichsweise günstige Herstellungsanlagen. Alternativ kann das Halbzeug als zwei- oder drei-dimensionales Gelege nach einem sog. Tow Placement-Verfahren hergestellt werden. Dies ist aufwendiger, vermeidet aber die bei der Umformung kaum vermeidbaren Gefügeänderungen, insbesondere Gefügeschwächungen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Verstärkungsstruktur aus einem mehrkomponentigen Halbzeug ausgebildet ist. Dabei bedeutet mehrkomponentig, dass mehr als eine Sorte Fasern, z.B. Glasfasern und thermoplastische Fasern, oder (Glasfasern und Naturfasern, oder mehrere Sorten Thermoplaste enthalten sind. Dadurch können die Eigenschaften optimal an beliebige Bedürfnisse angepasst werden. Auch die Struktur des Halbzeuges ist beliebig. Die Fasern können unidirektional (parallel) oder gedrillt, gewebt, genadelt, etc. angeordnet sein. Dies erhöht die Möglichkeiten zur Eigenschaftsvariation weiter.
Eine besonders geeignete Ausgestaltung eines solchen Hybridbauteils ist ein Fahrzeug-Frontend, da dieses sowohl hohe Anforderungen an die Strukturfestigkeit als auch an das Gewicht des Bauteils legt. Des Weiteren muss eine dafür geeignete Verstärkungsstruktur auch eine vergleichsweise komplexe Geometrie aufweisen, um Ein- und Anbauteilen Platz zu lassen. Ein derartiges Anforderungsprofil kann gut von einem erfindungsgemäßen Hybridbauteil erfüllt werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils mit einer Verstärkungsstruktur mit gekrümmter Form, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein gekrümmtes endlosfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug mit einer Kunststoffmatrix umgeben und geformt wird.
Geeignete Formgebungsverfahren mit denen das Halbzeug in beliebige Kunststoffmatrizen als Verstärkungsstruktur eingebunden werden kann, sind z.B. (Spritz-)gießen, Schäumen, Fließpressen, etc in die benötigte Form. Dabei ist die Anbindung zwischen Kunststoffmatrix und der faserverstärkten Kunststoff-Verstärkungsstruktur in der Regel besser ist als im Vergleich zu metallischen Verstärkungsstrukturen.
In vorteilhafter Weise kann die Krümmung in das Halbzeug durch Umformen, vorzugsweise Warmumformen, insbesondere Biegen, eingebracht werden. Beispielhaft sei hier das Walzprofilieren genannt, insbesondere das sog. Flexible Walzprofilieren wie es z.B. in der DE 100 11 755 B4 offenbart wird. Dadurch können nahezu beliebige gekrümmte Strukturen erzeugt werden. Alternativ können derartige Strukturen auch durch zwei- oder dreidimensionales Ablegen von imprägnierten Endlosfasern – sog. Tow placement – erzeugt werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Erwärmung beim Umformen durch Bestrahlung erfolgt, insbesondere durch IR-, UV- oder Mikrowellenbestrahlung. Alternativ oder additiv kann die Erwärmung aber auch durch Wärmeströmung und/oder Wärmeleitung in einem Heizofen oder Heizbad erfolgen.
Als besonders geeignet hat sich die Verwendung von mehrkomponentigen Fasern als Faserverstärkung des Halbzeuges erwiesen, insbesondere eine Kombination aus thermoplastischen und nicht-thermoplastischen Fasern. Derartige Faserstränge sind noch nicht konsolidiert und dadurch besser formbar.
Ebenso hat sich die Verwendung eines Thermoplasten als Kunststoffmatrix erwiesen, insbesondere ein im Halbzeug enthaltener Thermoplast. Dies begünstigt insbesondere die Anbindung zwischen Matrix und Verstärkung. Alternativ kann aber auch ein Duromer verwendet werden.
Nachfolgend werden anhand zweier Ausführungsbeispiele das erfindungsgemäße Hybridbauteil und das Verfahren zu seiner Herstellung näher erläutert:
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Faserstrang aus gemischten PP/CFK-Endlosfasern hergestellt.
Dieser Faserstrang wird durch Heißpressen zu einem Endloshalbzeug verbunden, wobei die Mischung der Fasern für eine gute Mikrotränkung der CFK-Fasern mit dem PP sorgt. Das Endloshalbzeug wird über eine flexible Profilieranlage geführt und dort zu einer Verstärkungsstruktur in der benötigten gekrümmten Form umgeformt und erforderlichenfalls beschnitten. Direkt vor dem Umformen erfolgt eine Erwärmung des Halbzeugstrangs durch IR-Bestrahlung. Die Erwärmung ermöglicht es den CFK-Fasern innerhalb des Thermoplasten PP voneinander abzugleiten und erleichtert so eine Umformung ohne zu einer Materialschädigung zu führen.
Die fertige Verstärkungsstruktur aus diesem endlosfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeug wird in eine Spritzgussform für ein Fahrzeug-Frontend eingelegt. Danach wird die Spritzgussform mit einer PP-Schmelze ausgefüllt und das Frontend mit eingebetteter Verstärkungsstruktur gefertigt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Faserstrang aus verdrillten Endlosnaturfasern hergestellt und mittels des sog. direkten Langfaserthermoplast-Verfahren in PE eingebettet. Derartige Faserstränge und ihre Herstellung sind z.B. in der DE 103 49 110 B3 beschrieben und weisen z.B. Gewichtsvorteile gegenüber glasfaserverstärkten Halbzeugen auf. Das naturfaserverstärkte Halbzeug wird dann analog zum ersten Ausführungsbeispiel zu einer Verstärkungsstruktur umgeformt, welche dann mittels eines Heißpressverfahrens in ein PE-Bauteil eingebettet wird.
Das erfindungsgemäße Hybridbauteil und das Verfahren zu seiner Herstellung erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für Anwendungen in der Automobilindustrie.
Insbesondere können so erhebliche Kostenreduktionen bei vergleichbaren oder besseren Eigenschaften erzielt werden, da auf die bisher übliche Formgebung – insbesondere das vergleichsweise teure Tiefziehen – metallischer Verstärkungsstrukturen verzichtet werden kann.

Claims

Hybridbauteil aufweisend eine Verstärkungsstruktur mit gekrümmter Form, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur als endlosfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus einem umgeformten Halbzeug ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus einem mehrkomponentigen Halbzeug ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass es als Fahrzeug-Frontend ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aufweisend eine Verstärkungsstruktur mit gekrümmter Form, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein gekrümmtes endlosfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug mit einer Kunststoffmatrix umgeben und geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung in das Halbzeug durch Umformen, vorzugsweise Warmumformen, insbesondere Biegen, eingebracht wird
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung beim Umformen durch Bestrahlung erfolgt, insbesondere durch IR-, UV- oder Mikrowellenbestrahlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverstärkung des Halbzeuges mehrkomponentige Fasern, insbesondere thermoplastische und nicht-thermoplastische Fasern, verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffmatrix ein Thermoplast, insbesondere ein im Halbzeug enthaltener Thermoplast, verwendet wird.