DE102018125029A1

DE102018125029A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, Faserhalbzeug und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils

Info

Publication number: DE102018125029A1
Application number: DE102018125029.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Kronen; Stefanus Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Faserhalbzeugs (1) für ein faserverstärktes Bauteil (12) mit den Schritten: Bereitstellen eines Trägermaterials (2), Erzeugen eines Schlingenflors (3) auf dem Trägermaterial durch Tuften von Verstärkungsfasern (4), und Auftrennen der Schlingen (5) zur Erzeugung eines Schnittflors (6). Weiterhin werden ein Faserhalbzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, ein Faserhalbzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils.
Faserverstärkte Bauteile beinhalten eine Faserverstärkung, die in eine Matrix, z.B. Kunststoff, Keramik oder Metall eingebunden ist. Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen sind verschiedene Verfahren bekannt, wie z.B. das Nasspressen, das Resin Transfer Moulding (RTM), die Verwendung von Prepregs oder das Handlaminieren. Die Faserverstärkung wird bei diesen Verfahren in Form von Faserhalbzeugen bereitgestellt. Hierbei kann es sich z.B. um Gewebe, Gestricke, Geflechte oder Vliese handeln, die mit dem Matrixmaterial infiltriert und weiterverarbeitet werden.
Zur Erzielung der gewünschten Bauteileigenschaften, wie Festigkeit und Steifigkeit, kommt der Faserausrichtung eine entscheidende Rolle zu, da die Fasern in Faserrichtung eine sehr viel höhere Lastaufnahme ermöglichen als quer zur Faserrichtung.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfache, flexible und kostengünstige Möglichkeit anzugeben, wie eine gewünschte Faserorientierung in einem faserverstärkten Bauteil realisiert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Patentanspruch 1, ein Faserhalbzeug nach Patentanspruch 6 und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils nach Patentanspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Faserhalbzeugs angegeben, welches sich zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen eignet. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines Trägermaterials,
- Erzeugen eines Schlingenflors auf dem Trägermaterial durch Tuften von Verstärkungsfasern und
- Auftrennen der Schlingen zur Erzeugung eines Schnittflors.

Weiterhin wird ein Faserhalbzeug zur Verwendung bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen angegeben mit einem Trägermaterial und einem auf dem Trägermaterial angeordneten Schnittflor bestehend aus einer Vielzahl von aufgetrennten Faserschlingen aus Verstärkungsfasern.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, ein Faserhalbzeug analog zur Samt- oder Velourherstellung herzustellen. Beim Tuften werden die Verstärkungsfasern mittels Nadeln in das textile Trägermaterial eingebracht. Die Nadeln sind beispielsweise in der Breite des Trägermaterials angeordnet und stechen gleichzeitig durch das Trägermaterial. Bevor die Nadeln zurückgezogen werden, werden die eingebrachten Verstärkungsfasern von Greifern festgehalten. So entstehen Schlingen auf der Oberseite des Trägermaterials. Nach vorgegebenem Abstand stechen die Nadeln erneut in das Trägermaterial und weitere Schlingen werden erzeugt. Der Schritt der Schlingenerzeugung wird wiederholt, so dass ein Schlingenflorteppich entsteht. Durch Durchtrennen der Schlingen, was z.B. bereits durch ein am Greifer befestigtes Messer erfolgen kann, entsteht ein Schnittflorteppich. Die Florhöhe kann durch Wahl der Schlingengröße eingestellt werden.
Das Tufting-Verfahren ist großindustriell einsetzbar, so dass das textile Faserhalbzeug günstig herstellbar ist. Als Resultat erhält man ein universell einsetzbares Faserhalbzeug, bei dem grundsätzlich jede Faser des Schnittflors individuell ausrichtbar ist.
Bei dem Trägermaterial, auf das die Verstärkungsfasern getuftet werden, kann es sich um ein textiles Trägermaterial handeln, beispielsweise um ein Vlies oder vorzugsweise um ein Gewebe, z.B. in Leinwandbindung oder Körperbindung. Besonders bevorzugt ist das textile Trägermaterial aus Verstärkungsfasern ausgebildet. Beispielsweise kann das Trägermaterial ein Gewebe aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern sein. So kann bereits durch das Trägermaterial eine erste Lage von gerichteten Verstärkungsfasern in das Bauteil eingebracht werden.
Alternativ kann das Trägermaterial aus einer thermoplastischen Kunststofffolie oder einem thermoplastischen Textil ausgebildet sein. Durch kurzzeitiges Erwärmen des Thermoplasten nach Ausrichtung der getufteten Verstärkungsfäden können diese am Trägermaterial fixiert werden, so dass auf ein zusätzliches Fixiermittel verzichtet werden kann. Je nach Dicke des Trägermaterials kann der Thermoplast auch als Matrixmaterial bei der späteren Bauteilherstellung verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.
Die Verstärkungsfasern werden auf das Trägermaterial getuftet. Hierbei ist das Verfahren nicht auf spezielle Verstärkungsfasern beschränkt. Vielmehr können die bekannten Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern etc. verwendet werden. Um nach dem Durchtrennen der Schlingen eine gleichmäßige Faserlänge zu gewährleisten, werden vorzugsweise Endlosfasern als Verstärkungsfasern getuftet.
Bevorzugt werden die Verstärkungsfasern als Roving getuftet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von 24k Tows, also Rovings mit 24.000 Filamenten, denkbar sind auch Rovings bis hin zu 50k Heavy Tows. Nach dem Durchtrennen der Schlingen können die Einzelfilamentfäden des Rovings aufgefächert werden, wodurch sich auch bei geringerer Polnoppenzahl ein dichter Flor erzeugen lässt.
Durch geeignete Wahl der Schlingengröße kann die Höhe des Schnittflors und damit die Länge der freien Faserenden individuell eingestellt werden. Zur Erzielung hoher Bauteilfestigkeiten kann es vorgesehen sein, dass die freien Faserenden eine Länge von mehr als 10 mm aufweisen. Beispielsweise können die freien Faserenden eine Länge in einem Bereich von 10 mm bis 100 mm ausweisen. Die freien Faserenden können in weiteren Verfahrensschritten individuell ausgerichtet werden, so dass das textile Faserhalbzeug universell verwendbar ist.
Durch die Wahl des Nadelabstands voneinander und die Stichlänge, d.h. den Abstand zwischen zwei Stichen, lässt sich die Dichte des Flors individuell anpassen. Ziel sollte es dabei sein, dass sich die Fasern gegenseitig nicht zu stark stützen, sondern noch umlegbar sind, so dass die freien Faserenden annähernd parallel zum Trägermaterial liegen. Gleichzeitig sollen sich die freien Faserenden benachbarter Stiche noch überlappen, wenn die Faserenden gelegt werden, um eine ausreichende Verstärkungswirkung und Lastübergang zu erzeugen. Für die Verwendung als Faserhalbzeug bei der Produktion von Fahrzeugbauteilen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schlingen- bzw. Schnittflor derart erzeugt wird, dass das textile Faserhalbzeug ein Flächengewicht im Bereich von 150 g/m² bis 600 g/m² aufweist.
Ein derartiges textiles Halbzeug mit Schnittflor kann als Faserverstärkung bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, verwendet werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils angegeben, bei dem das voranstehend beschriebene Faserhalbzeug in einem Formwerkzeug zu dem faserverstärkten Bauteil verpresst wird, wobei die Verstärkungsfasern in ein Matrixmaterial eingebunden werden. Diese Weiterverarbeitung kann mit herkömmlichen Verfahren, wie z.B. im RTM-Verfahren, als Prepreg oder durch Handlaminieren erfolgen.
Das erfindungsgemäße textile Faserhalbzeug kann als einzige Faserverstärkung im Bauteil angeordnet werden. Ebenso ist es möglich, ein erfindungsgemäßes Faserhalbzeug mit weiteren Faserhalbzeugen, z.B. weiteren erfindungsgemäßen Faserhalbzeugen, z.B. zu einem Stack zu stapeln und weiterzuverarbeiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Weiterverarbeitung im Nasspressverfahren. Beim Nasspressen wird vor dem Verpressen ein Matrixmaterial auf dem Faserhalbzeug aufgebracht. In der Kavität eines Formwerkzeugs, welche eine Form für das herzustellende Bauteils darstellt, wird das Matrixsystem mit dem Faserhalbzeug verpresst, geformt und härtet zum faserverstärkten Bauteil aus. Beim Nasspressen hat das Matrixmaterial nur sehr kurze Fließwege zurückzulegen, weshalb die vorhandene Faserausrichtung durch das Nasspressen nur geringfügig oder gar nicht verändert wird.
In einer alternativen Ausgestaltung dient das Material des Trägermaterials als Matrixmaterial, so dass kein zusätzliches Matrixsystem zugegeben werden muss. Vielmehr kann, wenn das Trägermaterial des Faserhalbzeugs eine thermoplastische Folie oder ein thermoplastisches Textil ist, das Trägermaterials selbst als Matrixmaterial fungieren. Im Formwerkzeug wird das Trägermaterial erhitzt und aufgeschmolzen, wodurch die Verstärkungsfasern in das Matrixmaterial eingebunden werden. Nach dem Erkalten des thermoplastischen Materials liegt das faserverstärkte Bauteil vor.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen textilen Faserhalbzeugs hat als besonderen Vorteil, dass die Fasern des Schnittflors individuell ausgerichtet werden können. Zunächst stehen die freien Faserenden als Schnittflor senkrecht zur textilen Trägerschicht empor. Ist eine andere Faserausrichtung erwünscht, so kann das Verfahren den zusätzlichen Schritt aufweisen, wonach die freien Faserenden der Verstärkungsfasern individuell ausgerichtet werden. Hierzu können die Fasern des Flors z.B. über ein Fluid, durch elektrostatische Aufladung oder mechanisch ausgerichtet werden, beispielweise durch Kämmen oder mittels Luftströmung durch ein Gebläse. Die so ausgerichteten Verstärkungsfasern werden fixiert, z.B. durch die Applikation von Binder oder Harz auf die Fasern und das textile Trägermaterial. Ebenso kann der Binder schon im Vorfeld auf dem textilen Halbzeug oder der verwendeten Verstärkungsfaser aufgebracht sein und muss nur noch aktiviert werden. Vorteilhaft ist, dass mit einem einzigen Faserhalbzeug unterschiedliche Faserausrichtungen realisiert werden können, z.B. in einem Randbereich des Bauteils eine andere Ausrichtung als in einem Mittenbereich. Mit dem textilen Faserhalbzeug ist es möglich, die Fasern lastpfadgerecht, d.h. entsprechend den zu erwartenden Belastungen im herzustellenden Bauteil, auszurichten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

1 Verfahrensschritte zur Herstellung eines textilen Faserhalbzeugs,
2 eine schematische Darstellung des Ausrichtens des Schnittflors in einer Seitenansicht,
3 eine Draufsicht auf das textile Faserhalbzeug in schematischer Darstellung nach Ausrichtung des Schnittflors, und
4 Verfahrensschritte zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils in schematischer Ansicht.

Zur Herstellung des textilen Faserhalbzeugs 1 wird zunächst ein Trägermaterial 2, z.B. in Form eines Vlies, Gewebes oder einer thermoplastischen Folie, bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist das Trägermaterial 2 als Kohlenstoff- oder Glasfasergewebe ausgebildet.
Auf dem Trägermaterial 2 wird ein Schlingenflor 3 erzeugt. Hierzu werden Verstärkungsfasern 4 auf das Trägermaterial getuftet. Die Verstärkungsfasern 4 liegen vorzugsweise als Roving vor. Durch das Tuften werden eine Vielzahl von Schlingen 5 erzeugt, die neben und hintereinander auf dem textilen Trägermaterial angeordnet sind.
Durch Durchtrennen der Schlingen 5, was z.B. unmittelbar nach der Schlingenherstellung erfolgen kann, wird aus dem Schlingenflor 3 ein Schnittflor 6 erzeugt. Hierdurch bilden die Verstärkungsfasern, welche zuvor als Schlingen 5 vorlagen, freie Faserenden 7 aus. Die Rovings können in die Einzelfilamente auffächern. Der Schnittflor 6 kann über ein (nicht dargestelltes) Fixiermittel, z.B. auf der dem Schnittflor abgewandten Seite, an dem Trägermaterial 2 fixiert werden.
Zunächst stehen die freien Faserenden 7 vom Trägermaterial 2 weg. Durch Kämmen, elektrostatische Aufladung oder ein Anblasen mit einer Luftströmung, lassen sich die freien Faserenden 7 in ihrer Ausrichtung beeinflussen. 2 zeigt beispielhaft ein Gebläse G, mit dem der Schnittflor 6 mit einer Fluidströmung F angeblasen wird. So können die Fasern z.B. umgelegt werden, so dass sie im Wesentlichen parallel zum Trägermaterial 2 verlaufen. Durch Änderung der Strömungsrichtung der Fluidströmung F kann die Ausrichtung der Faserenden bestimmt werden, z.B. können verschiedene Faserstränge in verschiedene Richtungen ausgerichtet werden. 3 zeigt eine Draufsicht auf das textile Faserhalbzeug 1, wobei die freien Faserenden 7 individuell ausgerichtet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur wenige Fasern dargestellt. Im realen Faserhalbzeug sind ein Vielfaches der dargestellten Fasern enthalten, die sich im gelegten Zustand zumindest teilweise überlappen. Die individuelle Ausrichtung der freien Faserenden ermöglicht die Abbildung unterschiedlicher Lastpfade in einer Verstärkungsfaserlage. Die Faserausrichtung kann z.B. einem Kraftfluss im Bauteil nachempfunden sein. Die individuell ausgerichteten Faserenden können fixiert werden, z.B. durch Auftrag eines Binders oder Harzes.
4 zeigt die Weiterverarbeitung des Faserhalbzeugs 1 zu einem faserverstärkten Bauteil im Nasspressverfahren. Auf das Faserhalbzeug 1 wird ein ungehärtetes Matrixsystem 8 aufgebracht. Anschließend werden Faserhalbzeug 1 und Matrixsystem 8 zwischen einem Oberwerkzeug 9 und einem Unterwerkzeug 10 eines beheizbaren Formwerkzeug 11 zu dem Bauteil 12 verpresst und ausgehärtet, wobei das Matrixmaterial 8 das Faserhalbzeug 1 durchtränkt und die Verstärkungsfasern 3 einbindet.
Grundsätzlich ist die Weiterverarbeitung des Faserhalbzeugs 1 auch in anderen Verfahren, wie z.B. dem RTM-Verfahren, Vakuum-Infusionsverfahren oder mit Handlaminieren möglich. Handelt es sich bei dem Trägermaterial 2 um eine thermoplastische Folie oder ein thermoplastisches Textil, so kann dieses als Matrixmaterial dienen. Die Zugabe eines separaten Matrixmaterials ist dann nicht notwendig. Der Thermoplast wird unter Temperatur und Druck aufgeschmolzen, bindet die Verstärkungsfasern ein und bildet nach Erkalten das faserverstärkte Bauteil aus.
Bezugszeichenliste

1: Faserhalbzeug
2: Trägermaterial
3: Schlingenflor
4: Verstärkungsfasern
5: Schlingen
6: Schnittflor
7: freie Faserenden
8: Matrixmaterial
9: Oberwerkzeug
10: Unterwerkzeug
11: Formwerkzeug
12: faserverstärktes Bauteil
F: Fluidstömung
G: Gebläse

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs (1) für ein faserverstärktes Bauteil (12) mit den Schritten: Bereitstellen eines Trägermaterials (2), Erzeugen eines Schlingenflors (3) auf dem Trägermaterial durch Tuften von Verstärkungsfasern (4), und Auftrennen der Schlingen (5) zur Erzeugung eines Schnittflors (6).
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das Trägermaterial (2) aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das Trägermaterial (2) aus einer thermoplastischen Kunststofffolie oder einem thermoplastischen Textil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Verstärkungsfasern (4) als Roving getuftet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Schnittflor (6) eine Florlänge im Bereich von 10 mm bis 100 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Schnittflor (6) derart erzeugt wird, dass das textile Faserhalbzeug (1) eine Flächendichte im Bereich von 150 bis 600 g/m² aufweist.
Faserhalbzeug für ein faserverstärktes Bauteil, insbesondere hergestellt nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, mit: einem Trägermaterial (2) und einem Schnittflor (6) auf dem Trägermaterial (2) bestehend aus einer Vielzahl von aufgetrennten Faserschlingen aus Verstärkungsfasern (4).
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, mit den Schritten: Bereitstellen eines Faserhalbzeugs (1), das ein Trägermaterial (2) und einen Schnittflor (6) auf dem Trägermaterial (2) aufweist, der aus einer Vielzahl von aufgetrennten Faserschlingen aus Verstärkungsfasern (4) besteht, Verpressen des textilen Faserhalbzeugs (1) in einem Formwerkzeug (11) zu dem faserverstärkten Bauteil (12), wodurch die Verstärkungsfasern (4) in einem Matrixwerkstoff (2; 8) eingebunden werden.
Verfahren nach Patentanspruch 8, mit dem weiteren Schritt: Aufbringen eines Matrixwerkstoffs (8) auf dem Faserhalbzeug (1) vor dem Verpressen desselben im Formwerkzeug (11).
Verfahren nach Patentanspruch 8, bei dem das Trägermaterial (2) eine thermoplastische Folie oder ein thermoplastisches Textil ist und die thermoplastische Folie oder das thermoplastische Textil den Matrixwerkstoff bildet.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 10 mit dem weiteren Schritt: Individuelles Ausrichten von freien Faserenden (7) der Verstärkungsfasern (4) und Fixieren der ausgerichteten Verstärkungsfasern vor dem Verpressen des Faserhalbzeugs.
Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem der Schritt des individuellen Ausrichtens mittels eines Fluids erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem der Schritt des individuellen Ausrichtens über elektrostatische Aufladung erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem der Schritt des individuellen Ausrichtens durch mechanisches Ausrichten erfolgt.