DE102010004530A1

DE102010004530A1 - Verfahren zum Herstellen einer Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil

Info

Publication number: DE102010004530A1
Application number: DE102010004530A
Authority: DE
Inventors: Bruno 84051 Niesner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil, wobei mindestens zwei, jeweils aus einem Fasermaterial bestehende Halbzeuge zumindest teilweise überlappend angeordnet und im Überlappungsbereich zu der Versteifungsmatrix miteinander verbunden werden. Auf eines der beiden Halbzeuge oder auf beide Halbzeuge wird zumindest im Überlappungsbereich ein Binderstoff appliziert. Durch Aktivieren des Binderstoffs mittels einer Ultraschalleinrichtung werden die beiden Halbzeuge miteinander verklebt und/oder verfilzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Flugzeugbau wird bereits seit Jahrzehnten mit faserverstärkten Kunststoffteilen gearbeitet, wobei aufgrund der relativ geringen Stückzahlen viele Arbeitsgänge in Handarbeit durchgeführt werden. Ein Einsatz im Automobilbereich ist kostendeckend nur dann möglich, wenn die Fertigung hochgradig automatisierbar ist.
Seit geraumer Zeit wird untersucht, inwieweit Fahrzeugkarosserieteile in wirtschaftlicher Weise in Form faserverstärkter Kunststoffteile dargestellt werden können. Um den hohen und sehr komplexen Festigkeitsanforderungen von Fahrzeugkarosserieteilen gerecht zu werden, werden komplexe, belastungsgerecht gestaltete, aus Fasermaterial bestehende Versteifungselemente, die im Folgenden als ”Versteifungsmatrizen” bezeichnet werden, hergestellt werden. Eine derartige Versteifungsmatrix kann je nach Anwendungsfall aus einer Vielzahl übereinander platzierter „Gelegelagen” bestehen. Um sicherzustellen, dass die einzelnen Gelegelagen in nachfolgenden Fertigungsschritten, wie z. B. Zuschneiden, Umformen (Preforming) sowie beim Injizieren von Harz in einem entsprechenden Werkzeug (Resin-Transfer-Molding) nicht relativ zueinander verrutschen, müssen die einzelnen Fasergelege relativ zueinander fixiert werden.
Als Technologien zum Verbinden bzw. Fixieren der einzelnen Gelegelagen einer derartigen ”Versteifungsmatrix” kommen unterschiedliche Verfahren in Betracht.
Die einzelnen Gelegelagen können beispielsweise mittels Metallklammern zusammengetackert werden, was den Nachteil hat, dass mit den Klammern ”Fremdkörper” in die Versteifungsmatrix und somit in das herzustellende Kunststoffbauteil eingebracht werden.
Alternativ dazu ist es auch denkbar, die einzelnen Gelegelagen durch Kleberschichten in einem Heißprägeverfahren miteinander zu verkleben, was zwar mit vergleichsweise geringen Materialkosten, aber hohem Energieverbrauch verbunden und im übrigen relativ zeitintensiv ist.
Alternativ dazu könnten die einzelnen Gelegelagen auch durch ein induktives Schweißverfahren miteinander verbunden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer aus mehreren Gelegelagen bestehenden Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil zu schaffen, das kostengünstig durchführbar ist und eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil, bei dem mindestens zwei, vorzugsweise aber mehr als zwei, jeweils aus einem Fasermaterial bestehende Halbzeuge zumindest teilweise überlappend angeordnet und im Überlappungsbereich zu einer Versteifungsmatrix miteinander verbunden werden. Die Halbzeuge können in der Form mattenartiger Gelege, Gewebe, Gestricke o. ä. vorliegen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass auf eines der mindestens zwei Halbzeuge oder auf beide Halbzeuge zumindest im Überlappungsbereich bzw. in ihren Überlappungsbereichen ein ”Binderstoff” appliziert wird und dass die beiden Halbzeuge durch ”Aktivieren” des Binderstoffs mittels einer Ultraschalleinrichtung miteinander verklebt und/oder verfilzt werden.
Bei dem Binderstoff kann es sich beispielsweise um ein langkettiges Epoxidharzsystem handeln. Der Binderstoff kann vor der Aktivierung in Pulverform vorliegen. Der pulverförmige Binderstoff kann dann in einfacher Weise gleichmäßig oder ungleichmäßig entsprechend einer vorgegebenen Beladungsverteilung auf das bzw. auf die Halbzeuge appliziert werden. Eines der beiden Halbzeuge oder beide Halbzeuge können vor der Aktivierung mit dem Binderstoff bepulvert und angesintert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Binderstoff vor der ”Ultraschallaktivierung” im Wesentlichen nicht klebend ist, was die Applizierung erleichtert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Binderstoff nur auf eine dem betreffenden anderen Halbzeug zugewandten Seite, d. h. ”einseitig” auf eine Halbzeuglage appliziert.
Die Halbzeuge können aus Carbon- und/oder Glasfasern sowie gegebenenfalls aus zusätzlichen Komponenten, wie z. B. Textilfäden, bestehen.
Durch die dem Binderstoff über die Ultraschalleinrichtung bzw. eine Ultraschall-Sonotrode zugeführte Schwingungsenergie wird der Binderstoff klebrig und verklebt die übereinander angeordneten Fasermateriallagen.
Die auf diese Weise erhaltene Versteifungsmatrix kann z. B. mittels eines oszillierenden Messers in eine dem zu herzustellenden Kunststoffteil entsprechende oder ähnelnde Form geschnitten werden. Anschließend wird die geschnittene Versteifungsmatrix in einen sogenannten Vorformling umgeformt (Preforming), welcher im Wesentlichen der Form des herzustellenden Kunststoffteils entspricht.
Der Vorformling wird dann in einer Harzinjektionsmaschine mit einem Harzsystem, d. h. mit einem Gemisch aus einem Harz und einem Härter, umspritzt. Nach einer gewissen Aushärtezeit kann das fertige Kunststoffteil entnommen werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die einzelnen Fasermateriallagen ”punktuell” entsprechend einem vorgegebenen Kleberaster miteinander verklebt. In Bereichen zwischen einzelnen ”Klebepunkten” bzw. Klebebereichen bleiben die Faserlagen unverklebt, d. h. frei relativ zueinander verschieblich.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die einzelnen Faserlagen an den Klebestellen nur mehr oder weniger leicht miteinander verklebt sind. Beim Umformen der Versteifungsmatrix in den Vorformling können einzelne Klebestellen bei entsprechendem Umformgrad bzw. bei entsprechender Belastung aufreißen, d. h. die Fasermateriallagen können sich in begrenztem Umfang weiterhin relativ zueinander verschieben.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem eingangs beschriebenen Heißprägen besteht darin, dass das ”Setzen” eines Verbindungspunkts mittels einer Ultraschalleinrichtung in deutlich weniger als einer Sekunde, d. h. sehr schnell und mit geringem Energieaufwand möglich ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Versteifungsmatrix für ein Kunststoffteil, wobei mindestens zwei, jeweils aus einem Fasermaterial bestehende Halbzeuge zumindest teilweise überlappend angeordnet und im Überlappungsbereich zu der Versteifungsmatrix miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf eines der beiden Halbzeuge oder auf beide Halbzeuge zumindest in seinem Überlappungsbereich bzw. in ihren Überlappungsbereichen ein Binderstoff appliziert wird und dass die beiden Halbzeuge durch Aktivieren des Binderstoffs mittels einer Ultraschalleinrichtung miteinander verklebt und/oder verfilzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Binderstoff nur auf eine dem betreffenden anderen Halbzeug zugewandten Seite des einen Halbzeugs appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Binderstoff vor der Aktivierung im Wesentlichen nicht klebend ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Binderstoff vor der Aktivierung in Pulverform vorliegt und dass eines oder beide Halbzeuge mit dem Binderstoff bepulvert, insbesondere bepulvert und angesintert werden. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbzeugen um Gelege handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeuge Carbon- und/oder Glasfasern enthalten bzw. aus Carbon- und/oder Glasfasern bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmatrix zu einem der Form des herzustellenden Kunststoffteils entsprechenden bzw. ähnelnden Vorformling umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling in ein Harzinjektionswerkzeug eingebracht und mit einem Harz umspritzt wird, wodurch man das Kunststoffteil erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeuge punktuell bzw. rasterartig an einer Vielzahl von Klebestellen miteinander verklebt werden.