DE102013218143A1

DE102013218143A1 - Verstärktes Faserhalbzeug und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013218143A1
Application number: DE201310218143
Authority: DE
Inventors: Thomas Pohl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserhalbzeugs vorgeschlagen, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines trockenen Faserhalbzeugs, Anordnen mindestens einer Verstärkungslage auf mindestens einer Oberfläche des trockenen Faserhalbzeuges, Gemeinsames Imprägnieren der mindestens einen Verstärkungslage und des trockenen Faserhalbzeuges zum Erzeugen des verstärkten Faserhalbzeugs. Außerdem wird ein verstärktes Faserhalbzeug beschrieben, umfassend ein Faserhalbzeug, und mindestens eine Verstärkungslage, die auf einer äußeren Oberfläche des Faserhalbzeugs angeordnet ist, wobei die mindestens eine Verstärkungslage und das Faserhalbzeug gemeinsam mit einer Matrix imprägniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserhalbzeugs, sowie das entsprechend verstärkte Faserhalbzeug.
Für die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen werden unter anderem imprägnierte Faserhalbzeuge, beispielsweise sogenannte Prepregs oder Sheet Molding Compounds (SMC) eingesetzt, die in der Regel ein Faserhalbzeug umfassen, welches mit einer Matrix durchtränkt ist. Stark vereinfacht dargestellt, wird das imprägnierte Faserhalbzeug beispielsweise zunächst bahnförmig hergestellt und auf die gewünschte Länge zugeschnitten. In einem späteren Verarbeitungsschritt wird das imprägnierte Faserhalbzeug in ein formgebendes Presswerkzeug eingelegt, in die gewünschte Form gepresst und zu einem Faserverbundbauteil ausgehärtet. Dieses kann nachfolgend bei Bedarf nachbearbeitet werden.
Bis zum Pressen und Aushärten des imprägnierten Faserhalbzeugs befindet sich dessen Matrix in weichem, nicht ausgehärtetem Zustand, so dass eine Handhabung aufgrund der sich ergebenden Flexibilität erschwert und eine Formstabilität des imprägnierten Faserhalbzeugs gering ist. Es besteht daher die Gefahr, dass einzelne Faserbündel des Faserhalbzeugs bei einem Umsetzen, einem Transport oder einer Schließbewegung eines Presswerkzeugs aus ihrer vorgegebenen Position verschoben werden. Besonders groß ist diese Gefahr, wenn als Faserhalbzeug unidirektionale Faserhalbzeuge bestehend aus einer Anzahl von Faserbündeln (sogenannte Faserrovings) eingesetzt werden, da sich aufgrund einer im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Faserbündelorientierung eine besonders geringe Schiebefestigkeit ergibt, insbesondere wenn das Faserhalbzeug quer zu seiner Faserausrichtung mit einer Scherkraft beaufschlagt wird. In diesem Fall können die einzelnen Faserbündel aufgrund der geringen Schiebefestigkeit relativ zueinander verschoben werden, wodurch ein hieraus erzeugtes Bauteil lokale Schwachstellen aufweist und als Ausschuss aussortiert werden muss.
Aber auch bei anderen Anordnungen mit mehrdirektionalen Faserhalbzeugen, wie Matten, Gelegen, Geweben oder Gestricken ist diese Gefahr trotz höherer Schiebesteifigkeit gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren für ein Faserhalbzeug bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile zumindest reduziert und eine stabile und möglichst verschiebesichere Verarbeitung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 sowie einem verstärkten Faserhalbzeug gemäß Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserhalbzeugs, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

– Bereitstellen eines trockenen Faserhalbzeugs,
– Anordnen mindestens einer Verstärkungslage auf mindestens einer Oberfläche des trockenen Faserhalbzeuges,
– Gemeinsames Imprägnieren der mindestens einen Verstärkungslage und des trockenen Faserhalbzeuges zum Erzeugen des verstärkten Faserhalbzeugs.

Es wird also auf einer oder mehreren der Oberflächen des trockenen, noch nicht mit einer Matrix imprägnierten, Faserhalbzeugs jeweils eine Verstärkungslage aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch einfaches Auflegen erfolgen, so dass eine mehrschichtige Stapelstruktur (Stack) entsteht.
Anschließend erfolgt ein Imprägnieren der gesamten Stapelstruktur, indem sowohl die Verstärkungsstruktur(en) als auch das Faserhalbzeug mit Matrix getränkt werden, um ein einheitliches und verstärktes, imprägniertes Faserhalbzeug zu erhalten, das für eine weitere Verarbeitung zu einem Faserverbundbauteil bereitsteht.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des gemeinsamen Imprägnierens ein oberflächliches Auftragen und Einpressen der Matrix in die mindestens eine Verstärkungslage und/oder das trockene Faserhalbzeug. Es ist also möglich, die Matrix auf eine oder mehrere Oberflächen der Stapelstruktur, also eine der Verstärkungslagen und/oder das Faserhalbzeug, aufzutragen und ausgehend von der entsprechenden Oberfläche in die einzelnen Lagen einzuarbeiten. Das Eindringen der Matrix in Tiefenrichtung der Stapelstruktur kann insbesondere durch das Einpressen, also durch eine Druckbeaufschlagung, erfolgen und zu einer besonders guten Durchdringung möglichst aller Lagen der Stapelstruktur führen. Hierzu ist es zum Beispiel möglich die Druckbeaufschlagung mittels Walzens durchzuführen.
Das Einpressen ermöglicht zudem, eine besonders belastbare Verbindung zwischen der mindestens einen Verstärkungslage und dem Faserhalbzeug mittels der Matrix herzustellen. Auf zusätzlichen Klebstoff oder andere Verbindungsmittel zum Verbinden der Verstärkungslagen mit der Matrix bzw. dem Faserhalbzeug kann daher verzichtet werden.
Jede der Verstärkungslagen wirkt somit als Stabilisierung des zwischenzeitlich imprägnierten Faserhalbzeugs, so dass dessen Schiebefestigkeit deutlich erhöht und ein unerwünschtes Verschieben des imprägnierten Faserhalbzeugs oder einzelner Bestandteile, insbesondere der Faserbündel, bei einem Transport aber auch bei einem späteren Formpressen vermieden werden kann.
Beispielsweise werden eine erste Verstärkungslage auf einer ersten Oberfläche und eine zweite Verstärkungslage auf einer zweiten Oberfläche des noch trockenen Faserhalbzeugs angeordnet. In der Regel weist das trockene Faserhalbzeug eine im Wesentlichen flächige, plattenartige räumliche Form auf, so dass zwei große Oberflächen, eine Oberseite (erste Oberfläche) und eine entgegengesetzt zu der Oberseite angeordnete Unterseite (zweite Oberfläche), definiert werden, auf die Verstärkungslagen aufgebracht werden können.
Je nach Ausgestaltung kann der Schritt des gemeinsamen Imprägnierens ein vollständiges Imprägnieren des trockenen Faserhalbzeugs sowie ein zumindest teilweises, vorzugsweise ein vollständiges Imprägnieren der Verstärkungslage mit der Matrix umfassen. Die teilweise Imprägnierung kann derart erfolgen, dass die Matrix lediglich in zu imprägnierenden Abschnitten aufgetragen wird und diese durchdringt. Alternativ kann jedoch auch die Matrix in bestimmten Bereichen aufgetragen werden und von dort weiterfließen, so dass in diesen Bereichen die Matrix wieder entweicht. In diesem Fall wird keine oder zumindest keine wesentliche Imprägnierung dieser Bereiche gebildet. Dies ist insbesondere in Richtung einer Tiefen- bzw. Dickenrichtung der Verstärkungslage möglich, so dass zunächst eine Matrix auf einer äußeren Oberfläche der Verstärkungslage aufgebracht und anschließend in Dickenrichtung weitertransportiert wird, wodurch das dort angeordnete Faserhalbzeug imprägniert wird. Gleichzeitig wird die Matrix im Wesentlichen von der Oberfläche und/oder in Dickenrichtung aus der Verstärkungslage entfernt.
Mit Hilfe der Verstärkungslage besteht zudem die Möglichkeit, diese als Sichtstruktur auszuführen, so dass eine Beschichtung des Faserhalbzeugs mit einer definierten Sichtoptik und/oder Stützstruktur aufgebracht und durch das Imprägnieren mittels der Matrix fixiert wird. Auf ein späteres Aufkleben von Folien mit entsprechender Optik kann somit verzichtet werden.
Beispielsweise kann der Schritt des Imprägnierens in einem Sheet Moulding Compound(SMC)-Herstellungsprozess oder in einem Prepreg-Herstellungsprozess erfolgen. Als Prepreg wird ein Halbzeug bezeichnet, welches aus Endlosfasern besteht, die mit einer Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff imprägniert sind, wobei die Matrix in einem nicht-ausgehärteten Zustand vorliegt. Als SMC werden insbesondere Faserhalbzeuge aus kürzeren Fasern verstanden, im Unterschied zu Endlosfasern typischerweise mit einer Länge von ca. 25 bis 50 mm, wobei für SMC insbesondere eine duroplastische Matrix zum Einsatz kommen kann. Die beiden Herstellungsprozesse sind als solche bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der Abläufe verzichtet wird.
Des Weiteren kann die mindestens eine Verstärkungslage Metallfasern, Glasfasern, Kohlefasern, Kunststofffasern, Naturfasern, Zellulosefasern oder eine Naturfaserschicht, eine Vliesschicht, eine Zelluloseschicht, eine Kunststofffolie umfassen. Je nach Verwendungszweck kann auf diese Weise neben der eigentlichen vorgesehenen Schiebestabilisierung des Faserhalbzeugs eine zusätzliche Funktionalität bereitgestellt werden.
Werden zum Beispiel als Verstärkungslage Metallfasern aufgebracht, so besteht die Möglichkeit eine elektromagnetische Abschirmung mit dem hieraus erzeugten Bauteil bereitzustellen. Zusätzlich kann auf diese Weise eine magnetisierbare Oberfläche geschaffen werden, die es beispielsweise ermöglicht, das entsprechend ausgeführte Halbzeug oder auch das hieraus erzeugte Bauteil mittels magnetischer Kräfte prozesssicher zu fixieren oder auch (zumindest über kurze Strecken) zu transportieren, beispielsweise mittels eines Roboterarms. Aufwendige Greifwerkzeuge könnten in diesem Fall entfallen. Die Verwendung von Glas- oder Kunststofffasern kann dagegen eine zusätzliche elektrische Isolation bereitstellen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können das trockene Faserhalbzeug eine unidirektionale Faserschicht aus parallel angeordneten Faserbündeln oder eine mehrdirektionale Faserschicht, insbesondere eine Matte, ein Gewebe, ein Gelege, ein Gewirke oder ein Gestricke, umfassen.
Die Verstärkungslagen weisen vorzugsweise eine dünne Dicke auf, also eine im Vergleich zu dem trockenen bzw. dem imprägnierten Faserhalbzeug geringe Dicke. Beispielsweise ist die Zelluloseschicht als Papierlage und die Kunststoffschicht als Folie ausgebildet.
Des Weiteren kann die Verstärkungslage ein textiles Flächengebilde, insbesondere eine Matte, ein Gewebe, ein Gelege, ein Gewirke oder ein Gestricke, umfassen. Bereits beschrieben ist die Ausgestaltung als Folie, insbesondere als Kunststofffolie oder als Zelluloseschicht.
Des Weiteren wird ein verstärktes Faserhalbzeug bereitgestellt, umfassend ein Faserhalbzeug und mindestens eine Verstärkungslage, die auf einer äußeren Oberfläche des imprägnierten Faserhalbzeugs angeordnet ist. Die mindestens eine Verstärkungslage und das Faserhalbzeug sind gemeinsam mit einer Matrix imprägniert.
Beispielsweise kann das verstärkte Faserhalbzeug mittels eines Verfahrens gemäß der gegebenen Beschreibung hergestellt sein. Hierbei ist das resultierende verstärkte Faserhalbzeug bzw. die Matrix noch nicht ausgehärtet. In einem optionalen nachfolgenden Schritt kann dieses in eine dreidimensionale Form gepresst und ausgehärtet werden, um ein Faserverbundbauteil hieraus zu erstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines verstärkten Faserhalbzeugs 20. Zunächst wird ein trockenes, also noch nicht mit einer Matrix imprägniertes Faserhalbzeug 21 bereitgestellt. Hierzu werden zum Beispiel eine Anzahl von Faserbündeln (Faserrovings) 11 aus einem Gatter 12 einer Sheet Moulding Compound (kurz SMC-)Anlage 17 zugeführt. In dieser wird aus den Faserbündeln 11 das trockene Faserhalbzeug 21, beispielsweise als unidirektionale Faserschicht durch paralleles Anordnen der Faserbündel 11, erzeugt. Da die Funktionsweise einer SMC-Anlage 17 bekannt ist, wird auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet.
Zusätzlich erfolgt die Zuführung einer ersten 13 und einer zweiten Verstärkungslage 14 von jeweils einer separaten ersten 15 bzw. zweiten Rolle 16. Die erste Verstärkungslage 13 wird auf einer ersten Oberfläche 18 und die zweite Verstärkungslage 14 auf einer zweiten Oberfläche 19 des trockenen Faserhalbzeugs 21 angeordnet. Das Anordnen umfasst insbesondere ein flächiges Auflegen der beiden Verstärkungslagen 13, 14. Anschließend erfolgt ein gemeinsames Imprägnieren (nicht dargestellt) der beiden Verstärkungslagen 13, 14 mit dem trockenen Faserhalbzeug 21 zum Erzeugen des verstärkten Faserhalbzeugs 20.
Es wird somit ein verstärktes Faserhalbzeug 20 geschaffen, das ein mit einer Matrix imprägniertes Faserhalbzeug sowie die beiden Verstärkungslagen 13, 14 umfasst, die auf den beiden äußeren Oberflächen 18, 19 des zwischenzeitlich imprägnierten Faserhalbzeugs angeordnet sind, wobei die Verstärkungslagen 13, 14 mittels der Matrix mit dem imprägnierten Faserhalbzeug verbunden sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserhalbzeugs, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines trockenen Faserhalbzeugs, – Anordnen mindestens einer Verstärkungslage auf mindestens einer Oberfläche des trockenen Faserhalbzeuges, – Gemeinsames Imprägnieren der mindestens einen Verstärkungslage und des trockenen Faserhalbzeuges zum Erzeugen des verstärkten Faserhalbzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des gemeinsamen Imprägnierens ein oberflächliches Auftragen und Einpressen von Matrix in die mindestens eine Verstärkungslage und/oder das trockende Faserhalbzeug umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine erste Verstärkungslage auf einer ersten Oberfläche und eine zweite Verstärkungslage auf einer zweiten Oberfläche des trockenen Faserhalbzeugs angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt des gemeinsamen Imprägnierens ein vollständiges Imprägnieren des trockenen Faserhalbzeugs sowie ein zumindest teilweises, vorzugsweise ein vollständiges Imprägnieren der Verstärkungslage mit der Matrix umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Imprägnierens in einem Sheet Moulding Compound (SMC)-Herstellungsprozess oder in einem Prepreg-Herstellungsprozess erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Verstärkungslage Metallfasern, Glasfasern, Kohlefasern, Kunststofffasern, Naturfasern, Zellulosefasern und/oder eine Naturfaserschicht, eine Vliesschicht, eine Zelluloseschicht, eine Kunststofffolie umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das trockene Faserhalbzeug eine unidirektionale Faserschicht aus parallel angeordneten Faserbündeln oder eine mehrdirektionale Faserschicht, insbesondere eine Matte, ein Gewebe, ein Gelege, ein Gewirke oder ein Gestricke, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verstärkungslage ein textiles Flächengebilde, insbesondere eine Matte, ein Gewebe, ein Gelege, ein Gewirke oder ein Gestricke, umfasst.
Verstärktes Faserhalbzeug umfassend ein Faserhalbzeug, und mindestens eine Verstärkungslage, die auf einer äußeren Oberfläche des Faserhalbzeugs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verstärkungslage und das Faserhalbzeug gemeinsam mit einer Matrix imprägniert sind.
Verstärktes Faserhalbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkte Faserhalbzeug mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.