DE102017206542A1 - Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil - Google Patents

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Tobias Preuss
Nicole Schweizer
Sandra Sitter
Cornelius Johan Kalle Keil
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) mit zumindest einer Kernschicht (10) und einer Faserschicht (20), bei dem in einem Fügeschritt die zumindest eine Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) aneinander angeordnet und miteinander verbunden werden und in einem Infiltrationsschritt die zumindest eine Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) mit einer Matrix getränkt werden, wobei die Kernschicht (10) ein textiles Kernmaterial und eine Schaumstoffstruktur umfasst und die Schaumstoffstruktur eine Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen (11) enthält, die so ausgebildet sind, dass die Matrix bei dem Infiltrationsschritt nicht in sie eindringt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus zumindest einer Faserschicht und einer Kernschicht mit einer Schaumstruktur.
  • Bei Leichtbauanwendungen werden insbesondere bei Sandwichbauteilen als Kernschicht Holz-, Schaum- oder Faltwabenmaterialien verwendet. Besonders bei der Herstellung sandwichartig aufgebauter Faserverbundbauteile, bei denen die Kernschicht zur Erhöhung der Stabilität zusammen mit den Faserschichten mit einer Matrix getränkt wird, saugen sich die herkömmlichen Kernschichtmaterialien mit der Matrix voll, sodass diese ein hohes Gewicht aufweisen. Durch das hohe Gewicht gehen jedoch die Leichtbaupotentiale verloren. Dies gilt insbesondere auch für gestickte Strukturelemente, bei denen die Rovings im Stand der Technik zunächst ein- oder mehrlagig auf eine Trägerschicht aufgestickt werden und dann mit einer Kernschicht zur Bildung eines sandwichartigen Faserverbundbauteils verbunden werden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbesagten Nachteile zu überwinden und ein günstiges und schnelles Verfahren zur Herstellung eines leichten, stabilen und sandwichartig aufgebauten Faserverbundbauteils bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird hierzu ein Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil mit zumindest einer Faserschicht und einer Kernschicht vorgeschlagen. Die Faserschicht ist dabei ein Gewebe oder ein Gelege aus Fasern, wie es in der Faserverbundtechnik üblich ist. Alternativ ist die Faserschicht eine aus Rovings bzw. Faserbahnen gebildete Struktur, die durch einen Stickfaden auf der Kernschicht fixiert werden und ein Gestick auf der Kernschicht bildet. Die Rovings bzw. Faserbahnen sind aus endlosfasern gebildet und zueinander und übereinander angeordnet, sodass sie die Struktur bilden. Bei einem Gestick bildet die Kernschicht integral mit ihrer Funktion als Kern des Sandwichbauteils die Trägerschicht für das Gestick aus.
  • Bei dem Herstellungsverfahren werden in einem Fügeschritt die zumindest eine Faserschicht und die Kernschicht aneinander angeordnet und miteinander verbunden. Dabei finden das Anordnen und das Verbinden nacheinander oder parallel zueinander statt. Bei der Verwendung von zumindest zwei Fasersichten sind diese auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht anordenbar, sodass die Kernschicht sandwichartig zwischen den zwei Faserschichten angeordnet ist.
  • In einem Infiltrationsschritt, der nach dem Fügeschritt stattfindet, wird bei dem Herstellungsverfahren die zumindest eine Faserschicht und die Kernschicht mit einer Matrix getränkt bzw. infiltriert. Die Kernschicht umfasst ein textiles Kernmaterial und eine Schaumstoffstruktur. Vorzugsweise ist die Kernschicht sandwichartig aufgebaut, wobei zwischen zwei Vliesschichten eine geschäumte Schaumstoffstruktur angeordnet ist. Die Schaumstoffstruktur enthält eine Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen, die so ausgebildet sind, dass die Matrix bei dem Infiltrationsschritt nicht in sie eindringt. Dazu ist die Wandung der Zellen flüssigkeitsdicht ausgebildet. Dadurch, dass die Matrix nicht in die Vielzahl von Zellen eindringen kann, wird die Kernschicht nur zum Teil mit der Matrix infiltriert und das Gewicht der Kernschicht erhöht sich nur geringfügig im Vergleich zu einer vollständig mit Matrix imprägnierten Kernschicht. Als Infiltrierten wird auch synonym Imprägnieren und Tränken verstanden. Die Infiltration ist beispielsweise in einem RTM-Verfahren durchführbar. Ein anschließender Formungsschritt der Kernschicht und der zumindest einen Faserschicht ist beispielsweise im RTM-Verfahren oder im Nasspress-Verfahren ausführbar. Die Kernschicht des sandwichartigen Aufbaus ist zugleich die Trägerschicht für die zumindest eine Faserschicht. Die Zellen der Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen sind mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Die Schaumstoffstruktur ist beispielsweise durch physikalische oder chemische Verfahren sowie durch Mischformen aus physikalischen oder chemischen Verfahren herstellbar.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens ist das textile Kernmaterial zumindest zum Teil ein Vlies oder ein Gewebe. Die Kernschicht ist sandwichartig aufgebaut, wobei der geschäumte Teil der Kernschicht den Kern bildet und die Deckschichten, die den Kern sandwichartig umgeben, aus Vlies oder Gewebe gebildet sind.
  • Ferner sind die hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen der Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen durch in der Schaumstoffstruktur angeordnete hohle, polymere Mikroperlen gebildet. Die Mikroperlen werden bei der Aufschäumung der Schaumstoffstruktur in die Schaumstoffstruktur eingebracht oder von ihr ausgebildet. Die Mikroperlen können einen Durchmesser von wenigen Mikrometern bis hin zu Millimetern besitzen. Die geschlossenzellige Schaumstoffstruktur kann durch eine physikalische oder chemische expandierte Struktur gebildet werden, die durch den Expansionsprozess die Mikroperlen ausbildet oder in die die Mikroperlen eingebracht werden.
  • Vorteilhaft für das Herstellungsverfahren ist ferner, dass die Kernschicht nach dem Infiltrationsschritt eine Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 g/cm3, insbesondere 0,5 g/cm3, aufweist. Zur Steuerung der Tränkung bei dem Infiltrationsschritt ist es ferner vorteilig, dass die Kernschicht eine regelmäßig ausgebildete Perforation durch eine Vielzahl von Löchern auf einer Oberfläche aufweist, die die Kernschicht zum Teil oder vollständig in ihre Dickenrichtung durchdringt. Durch die Perforation und deren Ausbildung ist die Infiltration gezielt steuerbar. Parameter zur Steuerung der Geschwindigkeit und Menge mit der die Matrix in die Kernschicht eindringt sowie in welchen Bereichen der Kernschicht die Matrix eindringt sind hierbei Durchmesser, Tiefe, die Anordnung zueinander, der Abstand und die Verteilung der Löcher der Vielzahl von Löchern auf der Kernschicht.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens ist die zumindest eine Faserschicht ein Gewebe, ein Gelege, ein Roving oder ein Gestick.
  • Ferner ist für das Herstellungsverfahren vorteilhaft, dass die zumindest eine Faserschicht und die Kernschicht bei dem Fügeschritt durch Nähen oder Sticken miteinander verbunden bzw. aneinander fixiert werden. Beim Nähen werden zwei großflächige Schichten durch zumindest einen Nähfaden miteinander vernäht, sodass die Schichten aufeinander halten und ihre Position zueinander festgelegt ist. Beim Sticken wird insbesondere eine Faserbahn bzw. ein Roving aus Langfasern, der in einer bestimmten Orientierung auf der Kernschicht abgelegt ist, durch einen Stickfaden auf der Kernschicht fixiert.
  • Bei dem Herstellungsverfahren wird bei dem Fügeschritt die zumindest eine Faserschicht auf einer Seite der Kernschicht angeordnet und mit der Kernschicht verbunden. Alternativ dazu ist es bei einer Weiterbildung des Herstellungsverfahrens vorteilhaft, dass eine erste Faserschicht auf einer ersten Seite der Kernschicht angeordnet wird, eine zweite Faserschicht auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Kernschicht angeordnet wird und dass die erste sowie die zweite Faserschicht mit der Kernschicht in einer Sandwichbauweise verbunden werden.
  • Die Faserschicht entspricht bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens in ihrer Fläche einer Fläche der Kernschicht, wobei die Faserschicht und die Kernschicht über ihre gesamte Erstreckung aneinander angeordnet werden. Die Anordnung ist beispielsweise im Stacking-Prozess ausführbar. Alternativ dazu, ist die Faserschicht in ihrer Fläche größer als die Fläche der Kernschicht und die Kernschicht wird als eine lokale Verstärkung in einem lokalen Bereich der Faserschicht angeordnet.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens werden in einem Schneideschritt in ihrer Größe definierte Patches aus der Kernschicht und/oder einer Faserschicht der zumindest einen Faserschicht geschnitten. Die Patches werden bei der Anordnung im Fügeschritt gezielt zu Strukturen angeordnet.
  • Wurden Patches aus der Kernschicht erzeugt, wird bei einer vorteiligen Ausführung des Herstellungsverfahrens, bei der die erste Faserschicht ein Gelege ist, eine Vielzahl von Patches aus der Kernschicht auf dem Gelege angeordnet bzw. abgelegt. Alternativ oder zusätzlich werden eine Vielzahl von Patches einer weiteren bzw. der zweiten Faserschicht auf der Vielzahl von Patches der Kernschicht angeordnet. Die Patches bzw. Zuschnitte werden auf ihrem jeweiligen Trägermaterial oder an der Kernschicht durch Nähen, Sticken oder Kleben befestigt.
  • Die Faserschicht umfasst bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens ein Fasermaterial und eine Trägerschicht. Das Fasermaterial ist auf der Trägerschicht angeordnet und durch Sticken an ihr fixiert.
  • Bei einer Weiterbildung des Herstellungsverfahrens werden die Faserschicht und die Kernschicht in einem Stacking-Prozess aneinander angeordnet. Alternativ dazu oder zusätzlich werden die Faserschicht und die Kernschicht in einem RTM-Prozess imprägniert und geformt oder zuerst imprägniert und danach bei einem Nasspressprozesses geformt.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens sieht vor, auf einer Seite oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht mehrere Lagen von Faserschichten, die jeweils aus zumindest einem Roving bestehen, mit einem Stickfaden aufzusticken, sodass das Faserverbundbauteil ein Strukturbauteil bildet, das nach der Infiltration, einer Formung und einer Aushärtung Kräfte aufnehmen und diesen standhält. Die Form des Strukturbauteils wird von den mehrlagig aufgestickten Rovings bzw. Faserbahnen bestimmt. Die Kernschicht dient dabei als Trägerschicht für das Sticken und bildet gleichzeitig die Kernschicht des sandwichartig aufgebauten Faserverbundbauteils aus.
  • Die Faserschicht ist für den Fügeschritt vorimprägniert bereitstellbar. Ferner ist zwischen der Faserschicht und der Kernschicht oder zwischen zwei Faserschichten eine dünne filmartige Matrixschicht anordenbar.
  • Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • 1 eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil mit aufgestickter Faserschicht;
    • 2 eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil mit aufgenähter Faserschicht;
    • 3 eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil mit mehreren beidseitig aufgestickten Faserschichten;
    • 4 a bis c jeweils eine Draufsicht auf ein Faserverbundbauteil.
  • Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
  • 1 zeigt ein mit dem Herstellungsverfahren hergestelltes Faserverbundbauteil 1 im Schnitt. Die Kernschicht 10 bildet durch ihre schaumartige Struktur in ihrem Inneren eine Vielzahl von hohlen Zellen 11 aus. Durch die Perforation, die durch eine Vielzahl von Löchern 12 ausgebildet ist, dringt die Matrix bei dem Infiltrationsschritt leichter als ohne Perforation und gezielt steuerbar in die Kernschicht ein. Bei der Infiltration dringt die Matrix jedoch nicht in die flüssigkeitsdichten Zellen 11 ein, sodass die Kernschicht zum Teil aus den mit Luft gefüllten, hohlen und flüssigkeitsdichten Zellen 11 besteht. Auf einer Seite der Kernschicht 10 ist eine Faserschicht 20 angeordnet. Die Faserschicht 20 ist eine Faserbahn, die auf der Kernschicht 10 abgelegt und durch Sticken mit dem Stickfaden 21 auf der Kernschicht fixiert ist.
  • Das Faserverbundbauteil 1, das in 2 gezeigt ist, ist aus einer Kernschicht 10 mit hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen 11 gebildet. In dem dargestellten Bereich weißt die Kernschicht 10 keine Perforation auf. Auf einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegende Unterseite der Kernschicht 10 ist jeweils eine Faserschicht 20 angeordnet. Die Faserschichten 20 in 2 sind Gewebe, also miteinander verwebte Fasern. Die Faserschichten 20 sind in ihrem Randbereich durch Nähfäden 22 miteinander und mit der Kernschicht vernäht, sodass die Position der Faserschichten 20 auf der Kernschicht 10 fixiert ist.
  • 3 zeigt ein Faserverbundbauteil 1, das ein Strukturbauteil bildet, indem auf einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite der Kernschicht 10 jeweils mehrere Faserschichten 20 aufgestickt sind. Die Faserschichten 20 werden von Faserbahnen gebildet, die zum Teil unterschiedlich zueinander orientiert sind um das Strukturbauteil lastgerecht zu gestalten. Die Faserschichten 20 sind jeweils durch Sticken bzw. durch die Stickfäden 21 auf der Kernschicht 10 fixiert. Die Kernschicht bildet wie in 1 eine Vielzahl hohler, flüssigkeitsdichter Zellen 11 aus und weißt eine Perforation auf. Die Perforation ist durch eine Vielzahl von Löchern 12 gebildet, die die Kernschicht in Dickenrichtung durchlaufen.
  • Die 4a bis 4c zeigen jeweils ein Faserverbundbauteil 1 aus der Draufsicht.
  • In 4a ist die Faserschicht 20 als Faserbahn bzw. Roving auf der Kernschicht 10 angeordnet. Der Roving bzw. die Faserbahn folgt einem lastpfadgerechten Verlauf zu Bildung eines Strukturbauteils und ist durch den Stickfaden 21, der sich entlang der gesamten Faserbahn erstreckt aber in der Figur nur im ersten Teil angedeutet ist, auf der Kernschicht 10 fixiert.
  • In 4b ist ein großflächige Faserschicht 20, die als Gelege ausgebildet ist, dargestellt. Die Kernschicht 10 ist in einem lokalen Bereich der Faserschicht 20 als Verstärkungselement angeordnet und durch einen Nähfaden 22 mit der Faserschicht 20 vernäht. Durch die Vernähung der Schichten miteinander, ist die Kernschicht 10 auf der Faserschicht 20 positionsfest fixiert.
  • Die 4c zeigt eine großflächige Kernschicht 10, auf der eine Vielzahl von Patches abgelegt ist. Die Patches bilden die Faserschicht 20 und sind lastpfadgerecht und ein Strukturbauteil bildend angeordnet.
  • 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 könnte auf eine erste auf der Kernschicht aufgestickte Faserschicht eine weitere Faserschicht aufgenäht sein, sodass Rovings der ersten Faserschicht von einem Gelege oder einem Geflecht der zweiten Faserschicht überdeckt werden.

Claims (14)

  1. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) mit zumindest einer Kernschicht (10) und einer Faserschicht (20), bei dem in einem Fügeschritt die zumindest eine Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) aneinander angeordnet und miteinander verbunden werden und in einem Infiltrationsschritt die zumindest eine Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) mit einer Matrix getränkt werden, wobei die Kernschicht (10) ein textiles Kernmaterial und eine Schaumstoffstruktur umfasst und die Schaumstoffstruktur eine Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen (11) enthält, die so ausgebildet sind, dass die Matrix bei dem Infiltrationsschritt nicht in sie eindringt.
  2. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das textile Kernmaterial zumindest zum Teil ein Vlies oder ein Gewebe ist und die hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen (11) der Vielzahl von hohlen, flüssigkeitsdichten Zellen (11) durch in der Schaumstoffstruktur angeordnete hohle, polymere Mikroperlen gebildet sind.
  3. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kernschicht (10) nach dem Infiltrationsschritt eine Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 g/cm3, insbesondere 0,5 g/cm3, aufweist und/oder das Kernschicht (10) eine regelmäßig ausgebildete Perforation durch eine Vielzahl von Löchern (12) auf einer Oberfläche aufweist, die die Kernschicht (10) zum Teil oder vollständig in ihre Dickenrichtung durchdringt.
  4. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Faserschicht (20) ein Gewebe, ein Gelege, ein Roving oder ein Gestick ist.
  5. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) durch Nähen oder Sticken miteinander verbunden werden.
  6. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Fügeschritt die zumindest eine Faserschicht (20) auf einer Seite der Kernschicht (10) angeordnet und mit der Kernschicht (10) verbunden wird.
  7. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei eine erste Faserschicht (20) auf einer ersten Seite der Kernschicht (10) angeordnet wird, eine zweite Faserschicht (20) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Kernschicht (10) angeordnet wird und die erste sowie die zweite Faserschicht (20) mit der Kernschicht (10) bei dem Fügeschritt zu einem sandwichartigen Aufbau verbunden werden.
  8. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserschicht (20) in ihrer Fläche einer Fläche der Kernschicht (10) entspricht und die Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) über ihre gesamte Erstreckung aneinander angeordnet werden.
  9. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Faserschicht (20) in ihrer Fläche größer ist als die Fläche der Kernschicht (10) und die Kernschicht (10) als eine lokale Verstärkung in einem lokalen Bereich der Faserschicht (20) angeordnet wird.
  10. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Schneideschritt in ihrer Größe definierte Patches aus der Kernschicht (10) und/oder einer Faserschicht (20) der zumindest einen Faserschicht (20) geschnitten werden.
  11. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Faserschicht (20) ein Gelege ist und eine Vielzahl von aus der Kernschicht (10) geschnittenen Patches auf dem Gelege angeordnet wird und/oder eine Vielzahl von aus der Faserschicht (20) geschnittenen Patches auf der Vielzahl von aus der Kernschicht (10) geschnittenen Patches angeordnet wird.
  12. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserschicht (20) ein Fasermaterial und eine Trägerschicht umfasst und das Fasermaterial auf der Trägerschicht angeordnet und durch Sticken an ihr fixiert ist.
  13. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) in einem Stacking-Prozess aneinander angeordnet werden und/oder die Faserschicht (20) und die Kernschicht (10) in einem RTM-Prozess imprägniert und geformt werden oder imprägniert und danach bei einem Nasspressprozesses geformt werden.
  14. Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer Seite oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht (10) mehrere Lagen von Faserschichten (20), die jeweils aus zumindest einem Roving bestehen, mit einem Stickfaden aufgestickt werden, sodass das Faserverbundbauteil (1) ein Kräfte aufnehmendes Strukturbauteil bildet.
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