DE102016106124B4 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils, Verwendung des Formteils als Verbundwerkstoff-Halbzeug und Fahrzeugteil enthaltend das Formteil - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einem faserverstärkten Träger enthaltend synthetische Fasern und/oder Naturfasern und mindestens einem damit verbundenen, einen Kunststoff aufweisenden Anbauteil, umfassend die Schritte:a) Einlegen einer faserverstärkten Matte (30) zwischen zwei Werkzeugkomponenten (10, 20), die sich in einem offenen Zustand befinden, wobei eine der Werkzeugkomponenten (20) zumindest eine Düse (22) zum Zuführen des verflüssigten Kunststoffes und die andere Werkzeugkomponente (10) zumindest eine Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils aufweisen;b) Schließen der Werkzeugkomponenten (10, 20), so dass die Matte (30) unter Druck gesetzt und verpresst wird, um den faserverstärkten Träger herzustellen, wobei simultan der Kunststoff durch die Düse (22) durch die Matte (30) in die Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils eingebracht wird,c) Abkühlen und Entnehmen des verfestigten Formteils aufweisend den faserverstärkten Träger und das damit verbundene Anbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte ein Niedertemperatur-Harzsystem aufweist und das Niedertemperatur-Harzsystem einen Aktivator enthält, der eine erforderliche Reaktionstemperatur des Niedertemperatur-Harzsystems absenkt und die Werkzeugkomponenten (10, 20) zumindest während des Verpressens der Matte eine Werkzeugtemperatur in einem Intervall von 90 bis 150 °C aufweisen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einem faserverstärkten Träger und mindestens einem damit verbundenen aus einem Kunststoff gebildeten Anbauteil, wobei das Formteil insbesondere zur Verwendung oder Weiterverarbeitung als Dekorteil in Innenräumen von Transportvorrichtungen aller Art - wie Kraftfahrzeugen, Schiffen und/oder von Flugzeugen - geeignet ist.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Träger für Dekorteile - beispielsweise für Türinnenverkleidungen, Türmittelfelder, Mittelkonsolen, Instrumententafeln usw. - im Spritzgussverfahren oder mittels Pressen von thermo-/duroplastischen Naturfasermattensystemen herzustellen.
  • Die Verbindung der so hergestellten Träger mit Funktionselementen (Kunststoffteilen) - wie beispielsweise Versteifungsrippen, Befestigungsmitteln etc. - erfolgt typischerweise durch das Ankleben oder Anschweißen der Kunststoffteile an das Trägermaterial.
  • Abschließend werden die erwähnten Träger dann mit Dekoren kaschiert.
  • Ein alternatives Herstellungsverfahren stellt das direkte Hinterspritzen eines Dekors dar.
  • Im Falle verpresster Trägerteile werden die Arbeitsschritte Verpressen der Trägermatte und Spritzen der Funktionselemente und Verbinden der Funktionselemente mit dem verpressten Träger üblicherweise in unterschiedlichen Arbeitsschritten und mit unterschiedlichen Werkzeugen ausgeführt.
  • So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 054 228 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils, wobei in einem ersten Schritt ein Naturfaser aufweisender Rohling - z.B. in Form einer Matte - erwärmt wird, wonach ein Formteil aus dem Rohling durch Zusammenpressen zweier Formelemente hergestellt wird und anschließend - in einem weiteren Schritt - ein Funktionsteil durch Anspritzen einer Kunststoffschmelze an das Formteil angeformt wird, wobei vor dem Anspritzen der Kunststoffschmelze eine Kavität am Formteil gebildet wird. Dabei werden alle beschriebenen Schritte in einer Vorrichtung ausgeführt.
  • Ein vergleichbares Verfahren und eine vergleichbare Vorrichtung sind in der deutschen Patentschrift DE 692 22 130 T2 beschrieben.
  • In beiden der oben genannten Fälle werden die Funktionselemente oder Kunststoffteile an die Naturfasermatte angespritzt. Eine verbesserte Integration der gepressten Matte und der Funktionsteile erfordert allerdings weitere Arbeitsschritte - ggf. unter Einsatz zusätzlicher Vorrichtungen.
  • Eine Verbesserung der Integration zwischen Naturfasermatte und Funktionselementen ist der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 005 350 A1 zu entnehmen, die bezüglich der eingesetzten Vorrichtung als Ausgangspunkt der hier dargelegten technischen Weiterentwicklung angesehen werden kann. Die Vorrichtung, die in der DE 10 2011 005 350 A1 offenbart wird, weist zwei Werkzeugkomponenten auf, die gegeneinander verfahrbar sind. In dem geöffneten Zustand der Werkzeugkomponenten lässt sich eine faserverstärkte Matte einlegen, die beim Schließen mittels Druck verpresst und verfestigt wird. In einer der beiden Werkzeugkomponenten ist eine Düse vorgesehen, durch welche flüssiger Kunststoff so auf die eingelegte Matte beaufschlagt wird, dass die Kunststoffschmelze die eingelegte Matte durchdringt und auf der gegenüberliegenden Seite in eine Kavität gelangt, die in der anderen Werkzeugkomponente ausgebildet ist.
  • Allerdings hat sich diese Verfahrensführung insofern als nachteilig erwiesen, als es erforderlich ist, den Formungsschritt für die faserverstärkte Matte - auf der einen Seite - und die Beaufschlagung mit der Kunststoffschmelze zur Anformung des Anbauteils - auf der anderen Seite - auf unterschiedlichen Temperaturniveaus durchzuführen, was das Gesamtverfahren aufwendiger und damit zeitintensiver macht.
  • Unter dem Aspekt einer effizienteren Produktion derartiger Formteile stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, den Herstellungsprozess der Formteile zu vereinfachen bzw. zeitlich zu verkürzen.
  • Die US 2008 / 0 292 851 A1 beschreibt ein Formteil - insbesondere ein Dekorteil bzw. ein Verkleidungsteil für den Fahrzeuginnenraum - sowie ein Spritzpressverfahren und ein Formpressverfahren zum Herstellen von derartigen Formteilen, insbesondere von Dekorteilen bzw. Verkleidungsteilen für einen Fahrzeuginnenraum.
  • Die DE 37 89 473 T2 hat u.a. ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur zum Gegenstand. Gemäß der Offenbarung umfasst dieses Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur die Laminierung einer ersten Tafel aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial auf eine zweite Tafel faserverstärkten Kunststoffmaterials, wobei die erste Tafel einen Fasergehalt von nicht mehr als 30 Gew.-% aufweist und sich verfestigt, wenn sie nach einer Druckbehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials abgekühlt wird und die zweite Tafel einen Fasergehalt von nicht mehr als 60 Gew.-% aufweist und im wesentlichen unverfestigt und porös bleibt, wenn sie nach dieser Temperatur- und Druckbehandlung abgekühlt wird, und das Laminat in einer Form bei dieser Temperatur und bei diesem Druck so geformt wird, dass die erste Tafel sich durch Fließen der Gießform anpasst, sich verfestigt und an die zweite Tafel gebunden wird, welche durch die Gießform geformt wird.
  • Die DE 197 17 538 A1 hat ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils mit einer Basisschicht und einer Deckschicht zum Gegenstand, bei dem die Basisschicht aus faserverstärkten Kunststoffen und die Deckschicht aus einer Deckfolie bestehen und die Verbindung zwischen diesen beiden Schichten in einem einzigen Heißpressvorgang hergestellt wird.
  • Die DE 698 38 168 T2 hat Vorformlinge für sog. Harz-Transferpressverfahren (RTM) zum Gegenstand sowie ein hierzu zu verwendendes - verbessertes - Vorformling-Bindemittelharz zur Herstellung eines Vorformlings zur Verwendung beim Harz-Transferpressen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Somit besteht eine zentrale Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Integration eines gepressten, faserverstärkten Trägers mit Kunststoff aufweisenden Anbauteilen zur Herstellung eines Formteils zu vereinfachen, insbesondere das Ausbilden eines oder mehrerer Anbauteile an dem Träger unter vereinfachter Temperaturführung zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Formteile als Verbundwerkstoff-Halbzeug gemäß Anspruch 10 sowie Fahrzeugteile, die dieses Verbundwerkstoff-Halbzeug gemäß Anspruch 11 enthalten. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.
  • Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 005 350 A1 eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einem faserverstärkten Träger und mindestens einem damit verbundenen, Kunststoff aufweisenden Anbauteil. Eine derartige Vorrichtung ist in den 1A und 1B schematisch dargestellt. 1A und 1B geben somit ein aus dem Stand der Technik bekanntes Werkzeug wieder, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Dabei weist die Vorrichtung zumindest zwei Werkzeugkomponenten (10, 20) auf, von denen zumindest eine Werkzeugkomponente (10) relativ zur anderen Werkzeugkomponente (20) verfahrbar ist und die Vorrichtung auf diese Weise zum Einlegen einer faserverstärkten Matte (30) geöffnet und zum unter Druck setzen und Verpressen der Matte (30) geschlossen werden kann. Nach dem Verpressen wird zunächst der gewünschte faserverstärkte Träger erhalten.
  • Daneben weist zumindest eine Werkzeugkomponente (20) zumindest eine Düse (22) zum Zuführen eines verflüssigten Kunststoffes auf. Die andere Werkzeugkomponente (10) verfügt über eine Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils. Im Anschluss an die Herstellung des faserverstärkten Trägers kann das Anbauteil dadurch hergestellt und in den Träger integriert werden, indem der verflüssigte Kunststoff durch die Düse (22)und durch die Matte (30) in die Kavität (12) eingebracht und darin verfestigt wird.
  • Der Nachteil dieses Herstellverfahrens besteht darin, dass der Schritt des duroplastischen Formpressens der Matte gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren je nach dem eingesetzten Material auf einem Temperaturniveau von ca. 140 bis 200 °C erfolgt, während der Schritt des Spritzgießens in einem Temperaturintervall von ca. 20 bis 80 °C durchführbar ist, was die Einhaltung eines Zeitintervalls für die Abkühlung des Werkzeugs auf das niedrigere Temperaturniveau erforderlich macht.
  • Unter dem Aspekt einer effizienteren Produktion derartiger Formteile stellt sich die Aufgabe, auf der die vorliegende Erfindung basiert, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, den Herstellungsprozess der Formteile zu vereinfachen bzw. zu verkürzen.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Kombination von Niedertemperatur Heißpressen für das Ausformen des faserverstärkten Trägers und einem Spritzgussprozess mit einem technischen Kunststoff erreicht.
    Für die Herstellung des Trägers eignen sich Polymere, vorzugsweise Duromere, die im Niedertemperaturbereich von 100 - 140°C verformbar sind. Besonders bevorzugt eignen sich sog. Acrylatharze, Phenolharze oder Epoxydharze, deren Reaktionstemperatur ggf. mittels geeigneter Aktivatoren herabgesetzt werden kann. Eine ganze Reihe von Acrylatharzen sind unter der Bezeichnung Aerodur® kommerziell verfügbar. Ggf. können auch sog. Polymerblends eingesetzt werden.
  • Für den simultan zur Ausformung durchzuführenden Spritzgussprozess eignen sich technische Kunststoffe, die sich für eine Verarbeitung in dem oben angegebenen Temperaturintervall anbieten. Aus dem Stand der Technik ist eine große Anzahl von derartigen technischen Polymeren bekannt, wie beispielsweise Polyamide (PA), Polyethylenterephtalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT), Polyoxmethylen (POM), und/oder Polycarbonat (PC), worunter Polybutylenterephtalat (PBT), Polycarbonat (PC) und Polyamide (PA), bevorzugt werden. Ggf. können auch geeignete Copolymere und/oder Polymerblends eingesetzt werden.
  • Den oben genannten Kunststoffen können während der Herstellung sogenannte Additive zugesetzt werden (Compoundierung), die der genauen Einstellung der Materialeigenschaften auf die Bedürfnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen.
  • So können die Kunststoffe Weichmacher - wie z.B. Phthalsäureester - aufweisen, welche die Sprödigkeit, Härte und Glastemperatur eines Kunststoffes beeinflussen und ihn so besser form- und verarbeitbar machen. Des Weiteren können sog. Extender (sekundäre Weichmacher) - wie z.B. epoxidierte Öle, hochsiedende Mineralöle und Paraffine - vorhanden sein, die ebenfalls die Verarbeitbarkeit verbessern.
  • Daneben können die eingesetzten Kunststoffe über Stabilisatoren verfügen, die der Verbesserung der chemischen Eigenschaften dienen und den Kunststoff vor schädigenden Einflüssen - wie Oxidation, (UV- oder Wärme-) Strahlung schützen und somit seine Lebensdauer verlängern.
  • Weiterhin können die Kunststoffe - insbesondere wenn die hergestellten Formteile in der Luftfahrt eingesetzt werden sollen - Flammschutzmittel - wie z.B. polybromierte Diphenylether (PBDE), Aluminiumhydroxid (Al(OH)3) (ATH) oder phosphorhaltige Verbindungen - aufweisen.
  • Letztendlich können die Kunststoffe - in Abhängigkeit von dem vorgesehen Verwendungszweck - Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder Pigmente aufweisen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine faserverstärkte Matte (30) zwischen zwei Werkzeugkomponenten (10, 20), die sich in einem offenen Zustand befinden, platziert, wobei eine Werkzeugkomponente (20) zumindest eine Düse (22) zum Zuführen verflüssigten Kunststoffes und die andere Werkzeugkomponente (10) zumindest eine Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils aufweist.
  • Durch das Schließen der Werkzeugkomponenten (10, 20) wird zur Herstellung des faserverstärkten Trägers die Matte (30) unter Druck gesetzt und verpresst, wobei simultan ein Kunststoff durch die Düse (22) durch die Matte (30) in die Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils eingebracht wird.
  • Nach dem Abkühlen kann das verfestigte Formteil, das sich aus einem faserverstärkten Träger und einem damit verbundenen Anbauteil zusammensetzt, aus dem Werkzeug entnommen werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen die Werkzeugkomponenten (10, 20) eine Werkzeugtemperatur in einem Intervall von 90 bis 150 °C, bevorzugt in einem Intervall von 105 bis 125 °C, besonders bevorzugt in einem Intervall von 105 bis 115 °C und ganz besonders bevorzugt von 110 °C auf.
  • Der faserverstärkte Träger bzw. die Matte beinhaltet ein Niedertemperatur-Harzsystem, das bevorzugt durch ein Acrylatharz, ein Epoxydharz oder durch einen Polyfurfurylalkohol verkörpert wird. Weitere Niedertemperatur-Harzsysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Daneben kann das Niedertemperatur-Harzsystem in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einen Aktivator enthalten, der die für die Bildung des verfestigten Harzes - beispielsweise durch eine schwächere Vernetzung - erforderliche Reaktionstemperatur absenkt.
  • Der faserverstärkte Träger kann Fasern synthetischen Ursprungs und/oder Naturfasern enthalten. Synthetische Fasern sind aus dem Stand der Technik in großer Zahl bekannt. Als Beispiele seien Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polyolefinfasern, Polyvinylchloridfasern, Polyacrylnitrilfasern, Polyethersulfonfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyvinylidenfasern, Polytetrafluorethylenfasern und Polyurethanfasern genannt, worunter hochfeste Synthesefasern und Standardsynthesefasern aus Polyethersulfonen (PES) oder aus Polyacrylnitril (PAN) bevorzugt werden.
  • Die Naturfasern können organischen (pflanzlichen oder tierischen) oder anorganischen Ursprungs (mineralisch) sein. Als Material für die Naturfasern haben sich Kenaf, Flachs, Jute, Hanf, Sisal, Bambus, Kokos, Abaca, Seegras und/oder Holzfasern bewährt. Als mineralische Fasern seien zum Beispiel Glasfasern, Basaltfasern und/oder Kohlenstofffasern genannt. Diese Fasern gewährleisten sehr leichte und feste Faserverbunde und sind ferner vergleichsweise gut und kostengünstig verfügbar.
  • Erfindungsgemäß verkörpert der für die Ausbildung des Anbauteils eingesetzte Kunststoff einen technischen Kunststoff, bevorzugt ein Polyamid (PA) oder ein Polybutylenterephthalat (PBT) .
  • Daneben hat die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Formteils als Verbundwerkstoff-Halbzeug zum Gegenstand. Bevorzugt wird das so hergestellte Verbundwerkstoff-Halbzeug im Fahrzeugbau und besonders im Kraftfahrzeugbau oder im Luftfahrzeugbau eingesetzt.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugteil, das ein erfindungsgemäß hergestelltes Verbundwerkstoff-Halbzeug enthält, wobei das Fahrzeugteil ein Bestandteil der Fahrzeuginnenverkleidung ist.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einem faserverstärkten Träger enthaltend synthetische Fasern und/oder Naturfasern und mindestens einem damit verbundenen, einen Kunststoff aufweisenden Anbauteil, umfassend die Schritte: a) Einlegen einer faserverstärkten Matte (30) zwischen zwei Werkzeugkomponenten (10, 20), die sich in einem offenen Zustand befinden, wobei eine der Werkzeugkomponenten (20) zumindest eine Düse (22) zum Zuführen des verflüssigten Kunststoffes und die andere Werkzeugkomponente (10) zumindest eine Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils aufweisen; b) Schließen der Werkzeugkomponenten (10, 20), so dass die Matte (30) unter Druck gesetzt und verpresst wird, um den faserverstärkten Träger herzustellen, wobei simultan der Kunststoff durch die Düse (22) durch die Matte (30) in die Kavität (12) zur Ausbildung des Anbauteils eingebracht wird, c) Abkühlen und Entnehmen des verfestigten Formteils aufweisend den faserverstärkten Träger und das damit verbundene Anbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte ein Niedertemperatur-Harzsystem aufweist und das Niedertemperatur-Harzsystem einen Aktivator enthält, der eine erforderliche Reaktionstemperatur des Niedertemperatur-Harzsystems absenkt und die Werkzeugkomponenten (10, 20) zumindest während des Verpressens der Matte eine Werkzeugtemperatur in einem Intervall von 90 bis 150 °C aufweisen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatur-Harzsystem ein Acrylatharz, ein Epoxidharz oder einen Polyfurfurylalkohol aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponenten (10, 20) zumindest während des Verpressens der Matte eine Werkzeugtemperatur in einem Intervall von 105 bis 125 °C aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponenten (10, 20) zumindest während des Verpressens der Matte eine Werkzeugtemperatur in einem Intervall von 105 bis 115 °C aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponenten (10, 20) zumindest während des Verpressens der Matte eine Werkzeugtemperatur von 110 °C aufweisen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen Fasern anteilig ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend hochfeste Synthesefasern und Standardsynthesefasern aus Polyestern (PEs) oder Synthesefasern aus Polyacrylnitril (PAN).
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Hybridvlies oder ein Laminat enthält.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Ausbildung des Anbauteils vorgesehene Kunststoff ein technischer Kunststoff ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der technische Kunststoff ein Polyamid (PA), Polyethylenterephtalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT), Polyoxmethylen (POM), Polyethylen (PE) und/oder Polycarbonat (PC) ist.
  10. Verwendung eines gemäß den vorangegangenen Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Formteils als Verbundwerkstoff-Halbzeug.
  11. Fahrzeugteil enthaltend ein Formteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.
  12. Fahrzeugteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugteil ein Teil einer Fahrzeuginnenverkleidung ist.
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