DE102013111388A1

DE102013111388A1 - Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils

Info

Publication number: DE102013111388A1
Application number: DE201310111388
Authority: DE
Inventors: Jürgen Goldmann
Original assignee: Gerhardi Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: Gerhardi Kunststofftechnik GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils bestehend aus mindestens einer Deckschicht (1) und einer Kernschicht (2), wobei die Deckschicht (1) aus Metall hergestellt ist und die Kernschicht (2) aus Kunststoff besteht. Die Kernschicht (2) ist von einem Trockengewebe gebildet, in das Harzsysteme eingebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils bestehend aus mindestens einer Deckschicht und einer Kernschicht, wobei die Deckschicht aus Metall hergestellt ist und die Kernschicht aus Kunststoff besteht.
Unter Hybridbauteilen versteht man Bauteile, die aus mindestens zwei Werkstoffen bestehen und die funktionell miteinander verbunden sind, um gemeinsam die Gebrauchseigenschaften des jeweiligen Bauteils sicherzustellen. Verwendung solcher Hybridbauteile hat sich insbesondere unter dem Gesichtspunkt reduzierter Kosten, geringeren Gewichts sowie verbesserter Verarbeitungseigenschaften als bei Bauteilen für den gleichen Einsatzzweck aus nur einem Werkstück bewährt. Folglich finden Hybridbauteile vermehrt Anwendung, beispielsweise in der Automobilindustrie.
Die häufigste Kombination von Werkstoffen bei Hybridbauteilen ist die Kombination von Metallen mit Kunststoffen. Hier lassen sich durch die Verwendung des Kunststoffs sehr große Gewichtsersparnisse erreichen. Gleichzeitig reduziert die Verwendung von Kunststoff die Kosten bei der Herstellung des jeweiligen Bauteils. Problematisch ist jedoch oftmals, dass Kunststoffe in den Herstellprozess von Metallbauteilen nur schlecht eingebunden werden können, da die Herstellung von Kunststoffteilen vollständig andere Werkzeuge benötigt, als dies bei Metallteilen der Fall ist. Auch die zuverlässige Verbindung der unterschiedlichen Komponenten aus Metall und Kunststoff führt häufig zu Problemen.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils zu schaffen, bei dem die Verbindung der Werkstoffe zuverlässig erfolgt und damit eine gute Verarbeitung zu dem jeweiligen Bauteil bei gleichzeitig geringem Gewicht und hoher Stabilität ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kernschicht von einem Trockengewebe gebildet ist, in das Harzsysteme eingebracht sind.
Mit der Erfindung ist ein Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils geschaffen, bei dem die Verbindung der Werkstoffe zuverlässig erfolgt und damit eine gute Verarbeitung zu dem jeweiligen Bauteil bei gleichzeitig geringem Gewicht und hoher Stabilität möglich ist. Für die Harzsysteme kommen zum Beispiel solche auf Basis von (duromeren) Polyurethanen und (thermoplastischen) Guss-Polyamiden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise erhöhter Schlagzähigkeit in Betracht. Wichtige Parameter bei der Auswahl des passenden Harzsystems sind darüber hinaus thermische und mechanische Eigenschaften des ausgehärteten Harzes, Fließfähigkeit, Härtungstemperatur und -zeit, Klebrigkeit und Lagerfähigkeit.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Harzsysteme sehr niederviskos. Die Verwendung sehr niederviskoser Harzsysteme beinhaltet den Vorteil, dass sich das Harz gut und gleichmäßig über das Trockengewebe verteilt. Gleichzeitig ist vermieden, dass sich beim Injizieren des Harzsystems die Fasern des Trockengewebes verschieben, wodurch die Stabilität des Trockengewebes negativ beeinflusst werden würde.
Bevorzugt ist die Verbindung zwischen der Deckschicht und der Kernschicht durch einen Haftvermittler unterstützt. Hierdurch ist eine verbesserte Verbindung zwischen den Schichten des Hybridbauteils ermöglicht. Der Haftvermittler bewirkt, dass zwischen den beiden Materialien der Deckschicht und der Kernschicht eine flächendeckende Verbindung hervorgerufen ist, die auch bei der Weiterverarbeitung des Halbzeugs zuverlässig haftet und somit ein Lösen der Schichten voneinander verhindert. Als Haftvermittler kann eine Vielzahl von Substanzen eingesetzt werden, um die Haftfestigkeit des Verbundes zu verbessern. Dabei kenn es sich beispielsweise um organisch funktionalisierte Silane (Silanhaftvermittler) oder andere metallorganische Verbindungen, insbesondere Titanate und Zirkonate handeln. Aber auch verschiedene Polymere wie Polyester und Polyethylenimin können zur Anwendung kommen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist auf beiden Seiten der Kernschicht eine Deckschicht angeordnet. Hierdurch ist die Herstellung eines vollständig auf seiner Außenseite oder -haut aus nur einem Material bestehenden Bauteils möglich. Gleichzeitig ist hierdurch eine hervorragende Resistenz gegen mechanische Beschädigungen der Kernschicht und Beschädigungen durch aggressive Medien geschaffen.
Vorteilhaft ist die Deckschicht aus Metallblech oder Aluminiumblech hergestellt. Hierbei handelt es sich um gut zu verarbeitende Werkstoffe, die zudem ein relativ geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität aufweisen.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Deckschicht mindestens einen Durchbruch auf. Mit Hilfe des Durchbruchs besteht die Möglichkeit, Materialien zur Beeinflussung der Kernschicht in das Halbzeug zu injizieren. Somit kann eine Beeinflussung auch für den nachfolgenden Arbeitsprozess auch nach Erzeugung des Halbzeugs vorgenommen werden.
Äußerst bevorzugt besteht die Kernschicht aus faserverstärktem Kunststoff. Die Verwendung von faserverstärktem Kunststoff bietet die Möglichkeit, extrem stabile Halbzeuge und damit ebenso stabile Bauteile herzustellen. Gleichzeitig ist das Gewicht eines derart ausgestalteten Bauteils wesentlich geringer, als ein aus Vollmetall hergestelltes Bauteil gleicher Größe.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung eines Schnitts durch ein dreischichtiges Halbzeug während des Herstellvorgangs;
2 die schematische Darstellung eines Schnitts durch ein dreischichtiges Halbzeug nach der Fertigstellung und
3 die Seitenansicht von links des in 2 dargestellten Halbzeugs.
Bei dem als Ausführungsbeispiel gewählten Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils handelt es sich um ein dreischichtiges Teil. Es besteht aus zwei Deckschichten 1, zwischen denen eine Kernschicht 2 angeordnet ist. Die Deckschichten 1 sind somit auf beiden Seiten der Kernschicht 2 angeordnet. Die Deckschichten 1 dienen zur vollständigen Abdichtung der Kernschicht 2 sowie zur Darstellung der Oberfläche des aus dem Halbzeug hergestellten Hybridbauteils.
Die Deckschichten 1 sind aus Blech hergestellt, im Ausführungsbeispiel aus Metallblech. Die Herstellung aus anderen Blechen, beispielsweise Aluminiumblech oder anderen Leichtmetallen ist ebenfalls möglich. Die Auswahl des Materials der Bleche hängt vom jeweiligen Einsatzzweck des aus dem Halbzeug herzustellenden Hybridbauteils ab. Die Bleche der Deckschichten 1 haben vorzugsweise eine Dicke von Dreizehntel Millimetern. Diese Dicke hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die Deckschichten auf diese Weise einerseits eine ausreichende Stabilität aufweisen, andererseits ein geringes Gewicht haben.
Die Deckschicht 1 weist im Ausführungsbeispiel zwei Durchbrüche 3 auf, wobei ein Durchbruch 3 auf der Oberseite des Halbzeugs, der zweite Durchbruch 3 auf der Unterseite des Halbzeugs angeordnet ist. Die Durchbrüche 3 können zur Injektion von Wirkstoffen zur Beeinflussung des Materials der Kernschicht genutzt werden. Wie insbesondere in 2 zu erkennen, erstrecken sich die Deckschichten 1 über die Kernschicht 2 hinaus. Es sind dadurch Überstände in Form eines Kragens 4 hervorgerufen. Mit Hilfe des Kragens 4 besteht die Möglichkeit, das Halbzeug mit bekannten Schweiß- und Fügeverfahren fertig zu stellen, so dass ein ringsum geschlossenes in der Regel flächiges Halbzeug geschaffen ist. Gleichzeitig ist durch die Fügeverfahren die Möglichkeit geschaffen, die Kernschicht 2 gegen den Ein- und den Austritt von Medien abzudichten.
Die Kernschicht 2 ist zwischen den beiden Deckschichten 1 angeordnet. Sie ist im Ausführungsbeispiel von einem Trockengewebe aus Kunststoff gebildet, in das Harzsysteme eingebracht sind. Grundsätzlich können für das Trockengewebe der Kernschicht 2 verschiedenste Natur- und Kunstfasern zur Anwendung gelangen, beispielsweise Glas-, Kohle-, Basalt- oder Aramidfasern. Im Ausführungsbeispiel besteht die Kernschicht 2 aus faserverstärktem Kunststoff, der von Endlosfasern gebildet ist. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels besteht die Möglichkeit, ein Metallgitter vorzusehen, welches das Trockengewebe trägt. In diesem Fall können die Fasern des Gewebes mit dem Metallgitter verwoben sein, so dass eine Metall-Gitter-Matrix geschaffen ist. Die Dicke der Kernschicht 2 ist je nach Anwendungsfall variabel und kann prinzipiell jede Dicke zwischen Dreizehntel Millimetern und mehreren Zentimetern haben. Die Fasern des Kunststoffs der Kernschicht 2 sind imprägnierbar. Das Imprägniermittel, welches üblicherweise in flüssiger Form vorliegt, kann durch die Durchbrüche 3 in den Deckschichten 1 injiziert werden. Durch Injektion von vernetzenden Systemen, beispielweise aus Polyurethan oder Kunstharz, können die Natur- oder Kunstfasern in eine Kunststoffmatrix eingebunden sein.
Je nach Anwendungsfall ist die Orientierung der Fasern in der Kernschicht 2 für die Stabilität des späteren Hybridbauteils von Bedeutung. Um ein Verrutschen der Kernschicht 2 beim späteren Pressen des Halbzeugs zu verhindern, können Maßnahmen für eine Erhöhung der Klemmverbindung zwischen Deckschicht 1 und Kernschicht 2 ergriffen werden. Beispielsweise können hierfür auf der der Kernschicht 2 zugewandten Seite der Bleche der Deckschichten 1 Haken oder Dellen vorgesehen sein, die dann bereichsweise in die Kernschicht 2 eindringen.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist zwischen den Deckschichten 1 im Kragen 4 eine Öffnung 5 vorgesehen. Die Öffnung 5 erstreckt sich durch den Kragen 4 bis zur Kernschicht 2. Auf der der Öffnung 5 gegenüber liegenden Seite ist eine weitere Öffnung 6 vorgesehen. Die Öffnung 5 dient zum Injizieren eines gut fließenden, vernetzenden und aushärtenden (Harz-)Systems, so dass die Kernschicht 2 durchtränkt werden kann. Die Öffnung 6 dient zum Erzielen eines Vakuums zwischen den Deckschichten 1. Das Entziehen der Luft auf der der Injektionsseite gegenüberliegenden (Vakuum-)Seite führt gleichzeitig zu einer besseren Durchtränkung der Kernschicht 2.
Bei der Herstellung des Halbzeugs wird das Material der Kernschicht 2 zwischen die Deckschichten 1 gebracht. Es werden dann die Harzsysteme injiziert. Sodann wird auf die zwei oder drei Schichten des späteren Halbzeugs Druck ausgeübt. Gleichzeitig wird die Temperatur des Werkzeugs erhöht. Hierdurch kommt es zu einer Verformung der beiden Deckschichten 1 hin zu einem abgedichteten – bis auf die Öffnungen 5 – geschlossenen und dreischichtigen Halbzeug, wie dies in 2 dargestellt ist. Durch die Öffnung 5 wird währenddessen weiter Harz in das Halbzeug injiziert, während auf der Vakuumseite Luft durch die Öffnung 6 aus der Kernschicht abgesaugt wird. Gleichzeitig führt der Druck zu einer gleichmäßigen Verteilung der Harzsysteme in der Kernschicht 2. Die Verteilung des Harzes kann auch dadurch unterstützt werden, dass der Druck auf das Werkstück von der Injektionsseite in Richtung der Vakuumseite zeitlich verzögert ausgeübt wird, so dass die Ausbreitung des Harzes in Richtung der Vakuumseite unterstützt wird.
Zum vollständigen Verschließen und Erhöhen der Haltekraft besteht die Möglichkeit, an den überstehenden Kragen 4 des Halbzeugs bekannte Schweiß- oder Fügeverfahren anzusetzen, die das Halbzeug verschließen. Durch die Abdichtung ist zusätzlich der Einsatz von Wirkmedien zur Verdichtung oder Verformung der Schichten möglich. Bei der Herstellung eines Hybridbauteils mit nur einer Deckschicht 1 erfolgt die Abdichtung im Werkzeug dadurch, dass die Deckschicht 1 aus Metall bereichsweise über die Kernschicht 2 hervorsteht. Dieser Überstand dichtet dann beim Aufbringen des Drucks auf einer Fläche des Werkzeugs ab, so dass das Harzsystem nicht aus der Kernschicht 1 herausgedrückt werden kann. Soweit das Trockengewebe bereits mit der Kunststoffmatrix gleichzeitig zwischen den Deckschichten 1 bzw. auf der einen Deckschicht 1 platziert wird, kann die Verbindung von Deckschicht 1 und Kernschicht 2 beispielsweise durch Verpressen erzielt werden.
Nach der so vorgenommenen Verformung und dem Verschließen des Halbzeugs wird dieses aus der Form des Werkzeugs entnommen und dem weiteren Bearbeitungsprozess zugeführt, in dessen Verlauf das Halbzeug die gewünschte Form des Hybridbauteils annimmt. Am Ende des Bearbeitungsablaufs steht dann ein Hybridbauteil, welches stabil und gleichzeitig leicht ist. Durch die Verwendung des vorzugsweise eingebrachten Haftvermittlers ist gewährleistet, dass die Deckschicht 1 umlaufend und großflächig mit der Kernschicht 2 verbunden ist. Hierdurch ist eine hervorragende Kontaktierung von Deckschicht 1 und Kernschicht 2 hervorgerufen, was die Stabilität und auch die spätere Bearbeitbarkeit des Halbzeugs verbessert. Durch Anlegen eines Vakuums während des Herstellens des Halbzeugs kann eine weitere Verbesserung der Eigenschaften hervorgerufen werden.
Zudem weist das erfindungsgemäße Halbzeug den Vorteil auf, dass insbesondere bei einem langsamen Schließen des Werkzeugs eine gute Verteilung der Harzsysteme erfolgt, was zu einer Verbesserung der Faserorientierung im faserverstärkten Kunststoff führt. Durch den Druck kommt es zu einer das Bauteil positiv beeinflussenden Gewebedurchdringung der Harzsysteme. Unterstützt wird dies durch das Injizieren des Harzes von der einen Seite, während durch das Absaugern der Luft auf der gegenüberliegenden Seite die Harzsysteme durch die Kernschicht „gezogen“ werden. Gleichzeitig kann während dieser Phase das Blech der Deckschichten 1 verformt werden. Insbesondere bei der dreischichtigen Ausbildung des Halbzeugs, bei der auf beiden Seiten der Kernschicht 2 eine Deckschicht 1 aus Blech angeordnet ist, ist eine verbesserte Entformbarkeit aus dem Werkzeug möglich. Gleichzeitig kann die Entformung aus dem Werkzeug zu einem früheren Zeitpunkt als bei reinen Kunststoffteilen erfolgen, da auch bei noch vollständig ausgehärteter Kernschicht 2 aufgrund der vollständigen Geschlossenheit des Halbzeugs dieses bereits aus der Form entnommen werden kann. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Halbzeug die Möglichkeit, eine zweite thermoplastische Komponente von außen auf die Deckschichten 1 aufzubringen, beispielsweise in Form eines Lackierens. Auch bei einer nachträglichen Lackierung kann noch eine Umformung des Halbzeugs zu dem gewünschten Hybridbauteil erfolgen.

Claims

Halbzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils bestehend aus mindestens einer Deckschicht (1) und einer Kernschicht (2), wobei die Deckschicht (1) aus Metall hergestellt ist und die Kernschicht (2) aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (2) von einem Trockengewebe gebildet ist, in das Harzsysteme eingebracht sind.
Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzsysteme sehr niederviskos sind.
Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzsysteme vernetzend sind.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockengewebe von Natur- oder Kunstfasern gebildet ist.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Deckschicht (1) und der Kernschicht (2) durch einen Haftvermittler unterstützt ist.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Kernschicht (2) eine Deckschicht (1) angeordnet ist.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (1) aus Metallblech oder Aluminiumblech hergestellt ist.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (1) mindestens einen Durchbruch (3) aufweist.
Halbzeug nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (2) aus faserverstärktem Kunststoff besteht.