DE102015217144A1

DE102015217144A1 - Verfahren zur Stabilisierung von Blasformkernen für die Herstellung faserverstärkter Hohlbauteile bis hin zur vollständigen Substitution des Bauteils durch endlos faserverstärkte Kerne

Info

Publication number: DE102015217144A1
Application number: DE102015217144.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Miadowitz; Christoph Mersmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Blasformhohlkern aus Kunststoff für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils, wobei der Blasformkern aus Kunststoff eine Versteifung aufweist, die durch einen Endlosfasern enthaltenden Materialfüllstoff oder ein extern auf den Blasformkern aufgebrachtes Faserwickelmaterial gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Blasformhohlkern aus Kunststoff für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils.
Blasformkerne sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der DE 10 2013 201 728 A1 in einer Ausführung mit umlaufender Nut offenbart.
Für die Herstellung von faserverstärkten Hohlbauteilen werden verschiedene Kernsysteme benötigt. Dabei werden neben im Bauteil verbleibenden Schaumsystemen, auch Blasformkerne eingesetzt, die nach dem Injektionsverfahren wieder entfernt werden können. Die Anforderungen an ein Blasformkernsystem sind sehr hoch, da es bei Beaufschlagung mit Innendruck, beispielsweise im Wasserinndruck-Spritzgießverfahren, hohen Anforderungen entlang der Prozesskette für faserverstärkte Hohlbauteile entsprechen muss.
Herkömmlich verwendete Materialzusätze für den Kunststoff sind nicht ausreichend, da diese die Anforderungen in Sachen Stabilität und Festigkeit über die gesamte Prozesskette nicht erfüllen. Neben einer geringen Temperaturbeständigkeit und einer unzureichenden Geometrietreue können Versprödungen in den Blasformhohlkernen auftreten, die dazu führen, dass der Kernauszug, d. h. das nachträgliche Entfernen des Kernes aus dem Bauteil, nicht mehr sichergestellt ist.
Um bei den mit dem Blasformhohlkern beispielsweise im RTM-Verfahren zu erzeugenden Faserverbundbauteilen konstante Wandstärken zu gewährleisten, sind der aufzubauende Innendruck als Stützdruck in dem Hohlkern während des Herstellungsprozesses und die Geometrietreue des Kerns selbst wesentliche Einflussfaktoren.
Mit der Blasformtechnik des Wasserinnendruck-Spritzgießverfahrens zur Herstellung von Hohlbauteilen ist es mit der aktuellen Kerntechnologie nicht möglich, eine definierte und ausreichend konstante Innengeometrie beziehungsweise Materialfüllung darzustellen. Gleichmäßige Wandstärken der Außengeometrie der Hohlbauteile sind nur begrenzt darstellbar.
Ferner führen Schwankungen beim Blasformprozess des Saugblasens zur Herstellung der Hohlkerne für die Hohlbauteile zu ungleichmäßigen Wandstärkenverteilungen im Hohlbauteil, die sich u. a. durch die nachträgliche Schwindung im Abkühlprozess der Faserverbundbauteile negativ auf deren Geometrie auswirken kann.
Bei langen Bauteilen mit geringem Querschnitt ist der Stand der Technik zur Herstellung von Bauteilen mit hohen Geometrieanforderungen, d. h. über Allgemeintoleranzen hinaus, nicht ausreichend.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen stabileren Blasformhohlkern sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen gemäß der Patentansprüche 1 und 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Blasformhohlkern aus Kunststoff für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Versteifung aufweist, die durch einen Endlosfasern enthaltenden Materialfüllstoff oder ein extern auf den Blasformkern aufgebrachtes Fasermaterial gebildet ist. Die Endlosfasern weisen hierbei vorzugsweise eine Länge von größer 50 mm auf. Die Endlosfasern oder Fasern der Faserbänder sind beispielsweise aus Kohlenstofffasern gebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weisen die Endlosfasern unidirektionale Fasern auf, die die jegliche temperaturabhängige Dehnung oder Stauchung sowie sonstige Formänderung des Blasformhohlkerns verhindern. Dies gilt auch bei ungleichmäßigen Wandstärken und/oder Verzügen, die im Herstellverfahren des Blasformhohlkerns oder durch äußere Einwirkungen begründet sind. Das Wachsen und Schrumpfen der Blasformhohlkerne ist in jedem Fall auszuschließen, da sich sonst Wellen in dem auf den Blasformhohlkern aufgebrachten Fasergeflecht zur Erzeugung des Faserverbundbauteils im RTM-Verfahren bilden, die von außen sichtbar sind. Die Fasern des Fasergeflechts müssen immer gestreckt sein. Dies wird durch die Versteifung des Blasformhohlkerns gewährleistet.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Endlosfasern als Rovings in dem Materialfüllstoff enthalten.
Auch bei Temperaturschwankungen, undefinierten Transportlagen und längerer Lagerdauer werden die hohen Geometrieanforderungen vor allem bei langen Bauteilen mit geringem Querschnitt sichergestellt. Die Verstärkung der Blasformhohlkerne durch Endlosfasern, als unidirektionale Rovings verarbeitete Endlosfasern oder Faserbändern sichert die Form- und Längenbeständigkeit der Blasformkerne entlang der Prozesskette. Dies erhöht die Prozessstabilität und sichert somit eine großserientaugliche Fertigung für faserverstärkte Faserverbundhohlbauteile.
Die Stabilisierung des Blasformhohlkerns entlang der Prozesskette führt insbesondere zu einer Erhöhung der Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit im RTM-Prozess (Harz, Injektion und Aushärtung). Nicht zuletzt lassen sich verstärkte Blasformhohlkerne prozesssicherer aus dem Fertigteil entfernen.
Neben Endlosfasern ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Materialfüllstoff zusätzlich Talkum und/oder Glas enthält. Auch Kurzfasern mit einer Länge von bis zu 1 mm können ergänzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Blasformhohlkerns ist vorgesehen, dass der Materialfüllstoff im Kunststoff einen Gewichtsanteil von 5–20% aufweist. Als Kunststoff können aus dem Stand der Technik bekannte Thermoplaste eingesetzt werden.
Bei einer Verstärkung der Blasformhohlkerne mit extern aufgebrachtem Faserwickelmaterial ist günstig, wenn es durch Faserbänder gebildet ist, die auf den Blasformhohlkern aufgeklebt sind. Günstig ist ferner eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die Faserbänder unidirektionale Fasern aufweisen.
Auch Bestandteil der Erfindung ist die Verwendung eines vorstehend beschriebenen Blasformhohlkerns als faserverstärktes Kunststoffhohlbauteil, d. h. der faserverstärkte Blasformhohlkern stellt direkt das finale Faserverbundhohlbauteil dar. Dann kann der anschließende RTM Injektions- und Aushärteprozess entfallen.
Der erhöhte Aufwand zur Herstellung des Blasformhohlkerns bietet mithin die Möglichkeit, den Kern selbst als Bauteil einzusetzen. Seine Verstärkung und Stabilisierung mittels aufgeklebter Faserbänder oder materialintegrierter Endlosfasern reicht für verschiedene geringer belastete Einsatzzwecke bereits aus. Es werden keine aufwendigen und komplexen Anlagen benötigt. Der Auszug des Blasformhohlkerns entfällt, da er zum Teil des Bauteils wird. Des Weiteren wird der Blasformhohlkern geringer belastet, da keine weiteren Prozesse des RTM-Verfahrens durchlaufen werden, die mitunter hohe Anforderungen an den Kern stellen. Auch die entlang der ansonsten notwendigen Prozesskette einzuhaltenden Umweltbedingungen sind obsolet. Dies reduziert die Kosten für faserverstärkte Hohlbauteile erheblich und verbessert die produzierte Qualität aufgrund einer deutlichen Verkürzung der komplexen Prozesskette. Die Herstellung des Blasformhohlkerns erfolgt als Massenfertigung, wobei wahlweise Anteile der hergestellten Blasformhohlkerne für die Herstellung von Faserverbundbauteilen im RTM-Verfahren, andere Anteile als Bauteil selbst eingesetzt werden.
Zur Erfindung gehörig ist auch das Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Blasformhohlkerns aus Kunststoff, insbesondere im Wasserinndruck-Spritzgießverfahren, wobei der Kunststoff Endlosfasern enthält und/oder auf den Blasformhohlkern unidirektionale Faserbänder aufgeklebt werden. Im Übrigen können die aus dem Stand der Technik und dem Fachmann bekannten Verfahrensschritte des Blasformens angewandt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise können neben den Materialfüllstoffen auch weitere Additive in den Kunststoff des Blasformhohlkerns eingebracht werden, um beispielsweise Fließeigenschaft zu beeinflussen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201728 A1 [0002]

Claims

Blasformhohlkern aus Kunststoff für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasformkern aus Kunststoff eine Versteifung aufweist, die durch einen Endlosfasern enthaltenden Materialfüllstoff oder ein extern auf den Blasformkern aufgebrachtes Fasermaterial gebildet ist.
Blasformkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern als Rovings in dem Materialfüllstoff enthalten sind.
Blasformhohlkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern unidirektionale Fasern aufweisen.
Blasformhohlkern nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern aus Kohlenstofffasern gebildet sind.
Blasformhohlkern zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfüllstoff einen Gewichtsanteil von 5–20% aufweist.
Blasformhohlkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das extern aufgebrachte Fasermaterial, insbesondere Faserwickelmaterial ist und durch Faserbänder gebildet ist, die auf den Blasformhohlkern aufgeklebt sind.
Blasformhohlkern nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbänder unidirektionale Fasern aufweisen.
Blasformhohlkern nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, die Endlosfasern eine Länge von größer 50 mm aufweisen.
Verwendung eines Blasformhohlkerns nach zumindest einem der vorigen Ansprüche als faserverstärktes Kunststoffhohlbauteil.
Verfahren zur Herstellung eines Blasformhohlkerns aus Kunststoff, insbesondere im Wasserinndruck-Spritzgießverfahren, wobei der Kunststoff Endlosfasern enthält und/oder auf den Blasformhohlkern außenseitig unidirektionale Faserbänder aufgeklebt werden.