DE102015200763A1

DE102015200763A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils

Info

Publication number: DE102015200763A1
Application number: DE102015200763.4A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schurz; Markus Reiß
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015200763B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils wird zwischen zwei Werkzeugteile (14, 16) eine Pressmasse (20) eingebracht wird, die eine nicht ausgehärtete Kunststoffmatrix und Fasern enthält, sodass zumindest ein Abschnitt der durch die geschlossenen Werkzeugteile (14, 16) gebildeten Werkzeugform zunächst frei bleibt. Die Werkzeugteile (14, 16) werden geschlossen, sodass die Pressmasse (20) in den freien Abschnitt fließt, wobei sich die Fasern an in die Werkzeugform (18) hineinragenden Strukturen (24) wenigstens teilweise ausrichten. In dem verwendeten Werkzeug (10) sind die Strukturen (24) an einer Innenseite des jeweiligen Werkzeugteils (14, 16) angeordnet und stehen von dieser ab.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils.
Zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen werden oft vorgefertigte Sheet Molding Compounds eingesetzt. Dabei handelt es sich um plattenförmige, teigartige Pressmassen aus einer nicht ausgehärteten Kunststoffmatrix, beispielsweise einem Duroplast, mit beigemischten Fasern, wobei Faserlängen von 25 bis 50 mm geläufig sind.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein Sheet Molding Compound (SMC) in eine Werkzeugform eingelegt und das Werkzeug geschlossen. Durch den Druck, den das sich schließende Werkzeug ausübt, verteilt sich die Pressmasse in der gesamten Werkzeugform. In der Pressmasse enthaltene Fasern erhalten durch diesen Fließprozess eine unkontrollierte, größtenteils ungeordnete Ausrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Herstellungsverfahren besser kontrollierbar zu machen, vor allem was die Ausrichtung der Fasern im fertigen Faserverbund-Bauteil angeht.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils eine nicht ausgehärtete Reaktionsharze und Fasern enthaltende Pressmasse so zwischen zwei Werkzeugteile eingebracht, dass zumindest ein Abschnitt der durch die geschlossenen Werkzeugteile gebildeten Werkzeugform frei bleibt. Die Werkzeugteile werden geschlossen, wobei die Pressmasse in den freien Abschnitt fließt, wobei sich die Fasern an in die Werkzeugform hineinragenden Strukturen wenigstens teilweise ausrichten. Durch die Einwirkung der Strukturen, entlang derer die Fasern in Fließrichtung bewegt werden, erfolgt zwangsläufig eine gewisse Ausrichtung der Fasern in Fließrichtung, da diese von den Strukturen sozusagen gekämmt werden. Das Maß der Ausrichtung lässt sich durch Form, Größe und Abstand der einzelnen Strukturen in Abstimmung auf die Faserlänge gezielt beeinflussen.
Die Pressmasse wird vorzugsweise durch die Schließbewegung der Werkzeugteile in den oder die freien Abschnitte der Werkzeugform gedrückt. Dabei kann die Fließbewegung ausschließlich durch die sich schleißende Werkzeugform selbst hervorgerufen werden.
Bei einem Werkzeug zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens sind die Strukturen vorzugsweise an einer Innenseite des jeweiligen Werkzeugteils angeordnet und stehen von dieser ab, sodass sie in die Werkzeugform hineinragen.
Die Strukturen können zumindest abschnittsweise an den Innenseiten von einem oder von beiden Werkzeugteilen vorgesehen sein. Somit lässt sich festlegen, welche Bereiche an gegenüberliebenden Seiten des fertigen Faserverbund-Bauteils ausgerichtete Fasern aufweisen und in welchen Bereichen die Fasern ungeordnet liegen sollen.
Die Strukturen sind vorteilhaft in Entformungsrichtung des Bauteils, also parallel zur Öffnungsrichtung der Werkzeugteile, ausgerichtet, sodass durch die Strukturen keine Hinterschnitte gebildet werden und das fertige Bauteil problemlos entformt werden kann.
Die Strukturen können in Stiftform ausgebildet sein und können beispielsweise einen runden oder einen länglichen Querschnitt haben, wobei bei einem nicht-runden Querschnitt die Schmalseite vorzugsweise in Fließrichtung der Pressmasse ausgerichtet ist. Der Durchmesser, die Länge und die Form der Strukturen, sowie deren Anordnungsmuster und Abstand kann über die Innenseite der Werkzeugteile variieren.
Die Länge der Strukturen kann z. B. etwa 1,0–3,0 mm betragen.
Zu ihrem freien Ende hin verjüngen sich die Strukturen vorzugsweise und laufen insbesondere spitz zu. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise insbesondere eine gute Faserverteilung zwischen einer Schicht an der Außenseite des Bauteils mit geordneten und einer Schicht mit ungeordneten Fasern im Inneren des Bauteils erreicht werden können.
Die Strukturen können in einem periodischen Raster angeordnet sein, beispielsweise einem Quadrat- oder Hexagonmuster. Das Raster kann in unterschiedlichen Abschnitten der Werkzeugteile verschieden ausgebildet sein, was Abstand und Geometrie angeht. Ebenso können die Raster an dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil unterschiedlich ausgebildet sein.
Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Ausrichtung der Fasern erreichbar ist, wenn der Abstand der Strukturen kürzer ist als die durchschnittliche Faserlänge der Fasern in der Pressmasse.
Die Faserlänge kann beispielsweise 20 bis 60 mm betragen, während die Strukturen im Abstand von etwa 2 bis 30 mm, bevorzugt von etwa 10 mm angeordnet sind.
Die Fasern können beliebiger Art sein, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, es können aber auch Naturfasern wie beispielsweise Hanf, Kapok, Baumwolle oder Ramie zum Einsatz kommen.
Die Kunststoffmatrix ist beispielsweise ein Kunstharz, vorzugsweise ein Duroplast.
Die Strukturen sind in einer möglichen Ausführungsform so angeordnet, dass bei geschlossenen Werkzeugteilen in Schließrichtung in der Werkzeugform zwischen den Werkzeugteilen ein Spalt bestehen bleibt, der frei von Strukturen ist. Die Gesamtlänge der Strukturen ist in diesem Fall kleiner als der Abstand der Werkzeugteilinnenseiten bei geschlossenem Werkzeug. Auf diese Weise lässt sich eine Sandwichkonstruktion mit einer oder zwei gerichteten Schichten jeweils an den Oberflächen des Faserverbund-Bauteils und einer Schicht mit isotrop verteilten, ungerichteten Fasern in der Mitte des Faserverbund-Bauteils herstellen. So kann beispielsweise bei einer Strukturlänge von etwa 2 mm einseitig oder beidseitig an den Oberflächen des Faserverbund-Bauteils die Schicht mit geordnet ausgerichteten Fasern eine Dicke von etwa 2 mm aufweisen, während in größerer Tiefe im Inneren des Bauteils die Fasern im Wesentlichen ungerichtet angeordnet sind. Die Breite des strukturfreien Spaltes kann über die Werkzeugform variieren.
Die Strukturen können jedoch auch so lang gewählt sein, dass keine ungerichtete Schicht verbleibt.
Es ist möglich, die Strukturen der beiden Werkzeugteile so anzuordnen, dass diese in Draufsicht übereinander liegen. Es ist aber auch möglich, die Strukturen an beiden Werkzeugteilen versetzt gegeneinander auszubilden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Innenseite eines Werkzeugteils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Längsschnittansicht durch eine der Strukturen an der Innenseite des Werkzeugteils aus 1;
3 bis 6 verschiedene Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung; und
7 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit einem darin angeordneten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserverbund-Bauteil gemäß einer möglichen Ausführungsform.
1 zeigt schematisch ein Werkzeug 10, genauer gesagt eine Innenseite 12 eines ersten Werkzeugteils 14 eines zweiteiligen Werkzeugs 10 (siehe auch 3 bis 7).
Das hier dargestellte Werkzeug 10 besitzt neben dem ersten Werkzeugteil 14 ein zweites Werkzeugteil 16, wobei im geschlossenen Zustand des Werkzeugs eine durch die beiden Werkzeugteile 14, 16 umschlossene Werkzeugform 18 definiert ist (siehe 6).
Das Werkzeug 10 dient zur Durchführung eines SMC-Verfahrens, bei dem eine plattenförmige, teigartige Pressmasse 20, hier in Form eines Sheet Molding Compounds (SMC), in einen Abschnitt des Werkzeugs 10 zwischen die Werkzeugteile 14, 16 eingelegt wird, sodass ein großer Abschnitt 22 der Werkzeugform 18 zunächst frei von Pressmasse 20 bleibt.
In der Pressmasse 20 sind (nicht näher dargestellte) Fasern, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder andere geeignete Fasern von einer Länge von z. B. etwa 10 bis 60 mm enthalten.
An der Innenseite 12 eines oder beider Werkzeugteile 14, 16, sind Strukturen 24 vorgesehen, die senkrecht von der Innenseite 12 des jeweiligen Werkzeugteils 14, 16 in die Werkzeugform 18 hineinragen. Die Strukturen 24 sind hier in Form von spitz zulaufenden Stiften ausgebildet (siehe 2).
In diesem Beispiel ragen die Strukturen 24 über eine Länge l von etwa 2 mm in die Werkzeugform 18 hinein und haben einen Durchmesser b von etwa 2 mm. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Strukturen 24 jeweils kegelförmige, zu ihrem freien Ende hin spitz zulaufende Stifte mit rundem Querschnitt. Es wäre aber möglich, den Strukturen 24 jede beliebige, im Ermessen des Fachmanns geeignete Form zu geben.
Die Strukturen 24 sind hier in einem symmetrischen Raster angeordnet, in dem in 1 dargestellten Beispiel in einem Quadratraster, wobei die Abstände d_x und d_y in zueinander senkrechten Richtungen hier gleich gewählt sind und jeweils etwa 10 mm betragen. Es wäre auch möglich, die Abstände d_x und d_y unterschiedlich zu wählen. Auch könnten die Strukturen 24 in einem anderen Muster, beispielsweise in einem hexagonalen Raster angeordnet sein.
In dem hier dargestellten Beispiel sind Strukturen 24 mit gleicher Länge I und gleichen Abständen über die gesamten Innenseiten 12 beider Werkzeugteile 14, 16 vorgesehen, wie in den 3 bis 7 angedeutet ist. Es wäre jedoch auch möglich, nur eine der Werkzeugteile 14, 16 oder eines oder beide der Werkzeugteile 14, 16 nur abschnittsweise mit den Strukturen 24 zu versehen, wobei Form, Länge, Anordnung und Dichte der Strukturen 24 über die Fläche der Innenseite 12 der Werkzeugteile 14, 16 variieren kann.
Die Strukturen 24 sind stets so angeordnet, dass sie in Entformungsrichtung des Werkzeugs 10, also in der Öffnungsrichtung der Werkzeugteile 14, 16 orientiert sind, sodass sie keinerlei Hinterschnitte in der Werkzeugform 18 bilden.
Die Länge l der Strukturen 24 kann so gewählt werden, dass sie kleiner ist als der Abstand a der Innenseiten 12 der beiden Werkzeugteile 14, 16 im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 10 (siehe 7).
Zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 26 mit teilweise ausgerichteten Fasern wird die Pressmasse 20 in einen Abschnitt des Werkzeugs 10 zwischen die Werkzeugteile 14, 16 eingelegt (siehe 3).
Während das Werkzeug 10 geschlossen wird, indem die Werkzeugteile 14, 16 aufeinander zubewegt werden, wird durch den so erzeugten Druck die Pressmasse 20 in einer Fließrichtung F in den freien Abschnitt 22 der Werkzeugform 18 hineingedrückt und füllt auf diese Weise die Werkzeugform 18 im Wesentlichen vollständig aus, wenn das Werkzeug 10 vollständig geschlossen ist (6).
Durch die Fließbewegung wird die Pressmasse 20 zusammen mit den darin enthaltenen Fasern an den Strukturen 24 vorbeibewegt, wobei ein Ausrichten der Fasern in Fließrichtung F erfolgt. Das Ausrichten der Fasern erfolgt jedoch nur in dem Bereich, wo die Pressmasse 20 mit den Strukturen 24 in Berührung kommt und ist somit durch die Länge l der Strukturen 24 sowie deren lateralen Abstand d_x, d_y vorgegeben.
In dem dargestellten Beispiel sind die Strukturen 24 so kurz gewählt, dass in der Mitte der Werkzeugform 18 zwischen den Innenseiten 12 der Werkzeugteile 14, 16 ein Spalt 28 bestehen bleibt (siehe 7) der auch bei geschlossenem Werkzeug 10 frei von Strukturen 24 ist.
Infolgedessen wird in dem hier gezeigten Verfahren ein Faserverbund-Bauteil 26 mit einer Sandwichstruktur hergestellt, das an beiden Oberflächen eine orientierte Schicht 30 mit ausgerichteten Fasern aufweist, während dazwischen eine isotrope Schicht 32 mit nicht ausgerichteten Fasern liegt.
Die Fasern behalten ihre nach Abschluss des Fließprozesses eingenommene Ausrichtung auch nach dem Aushärten der Pressmasse 20 im fertigen Faserverbund-Bauteil 26 bei.
7 zeigt dieses Faserverbund-Bauteil 26 noch vor dem Entformen aus dem Werkzeug 10. Um das fertige Faserverbund-Bauteil 26 aus dem Werkzeug 10 zu entnehmen, werden die Werkzeugteile 14, 16 in Entformungsrichtung auseinandergefahren, wobei sich die Strukturen 24 aus dem Faserverbund-Bauteil 26 lösen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils (26) bei dem – zwischen zwei Werkzeugteile (14, 16) eine Pressmasse (20) eingebracht wird, die eine nicht ausgehärtete Kunststoffmatrix und Fasern enthält, sodass zumindest ein Abschnitt (22) der durch die geschlossenen Werkzeugteile (14, 16) gebildeten Werkzeugform (18) frei bleibt, und – die Werkzeugteile (14, 16) geschlossen werden, sodass die Pressmasse (20) in den freien Abschnitt (22) fließt, wobei sich die Fasern an in die Werkzeugform (18) hineinragenden Strukturen (24) wenigstens teilweise ausrichten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressmasse (20) durch die Schließbewegung der Werkzeugteile (14, 16) in den freien Abschnitt (22) der Werkzeugform (18) gedrückt wird.
Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils gemäß eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (24) an einer Innenseite des jeweiligen Werkzeugteils (14, 16) angeordnet sind und von dieser abstehen.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturen (24) an den Innenseiten (12) von einem oder von beiden Werkzeugteilen (14, 16) zumindest abschnittsweise vorgesehen sind.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (24) in Entformungsrichtung des Faserverbund-Bauteils (26) orientiert sind.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strukturen (24) zu ihrem freien Ende hin verjüngen, insbesondere spitz zulaufen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (24) in einem periodischen Raster angeordnet sind.
Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d_x, d_y) der Strukturen (24) kürzer ist als die durchschnittliche Faserlänge der Fasern in der Pressmasse (20).
Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Werkzeug (10) in der Werkzeugform (18) zwischen den Werkzeugteilen (14, 16) ein Spalt (28) bestehen bleibt, der frei von Strukturen (24) ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (24) der beiden Werkzeugteile (14, 16) in Draufsicht übereinanderliegen.