DE102007026229A1

DE102007026229A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102007026229A1
Application number: DE102007026229A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Schreckenberg; Jens Dr. Müller; Bernhard Heim
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Ashland Suedchemie Kernfest GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Ashland Suedchemie Kernfest GmbH
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008148452A2; US20100212816A1; WO2008148452A3; JP2010528896A; EP2155459A2

Abstract

Zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff wird ein wasserdispergierbarer Stützkern aus einem wasserlöslichen Bindemittel, das zumindest teilweise aus einem wasserlöslichen silikathaltigen Bindemittel besteht, und einem Füllstoff mit den Verstärkungsfasern umwickelt. Die Fasern auf dem Stützkern werden mit einem härtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und der Stützkern mit Wasser anschließend ausgeschwemmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile wird u. a. das sogenannte RTM(Resign Transfer Molding)-Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren verwendet.
Dazu wird wenigstens eine Lage der z. B. uni- oder bidirektional gerichteten Verstärkungsfasern zwischen dem Ober- und dem Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt und die Faserlage mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz mit Härter getränkt, der unter Druck in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen Ober- und Unterwerkzeug injiziert wird. Ähnlich wird beim Vakuum-Injektionsverfahren vorgegangen, bei dem anstelle von Druck ein Vakuum angelegt wird, um den wärmehärtbaren Kunststoff in die Faserlage zu saugen.
Für Automobile werden zahlreiche Strukturhohlbauteile verwendet, beispielsweise die Stützsäulen, Schweller, Stoßfänger und dergleichen. Diese Hohlbauteile werden dabei meist geklebt. Die Klebestelle kann jedoch zu einem Versagen führen. Zudem lässt die Masshaltigkeit geklebter Hohlbauteile zu wünschen übrig.
Für die Herstellung von Hohlbauteilen im RTM-Verfahren werden üblicherweise heute Schmelzkerne aus Wachs eingesetzt. Die dafür eingesetzten Prozesse sind wegen der Größe der Kerne sehr aufwändig. Weiterhin bedingt der große Wärmeausdehnungskoeffizient des Wachses eine aufwändige Abstimmung der notwenigen Fertigungsmittel. Nach der eigentlichen Bauteilherstellung werden die Materialien wieder ausgeschmolzen. Dabei verbleibt auf der Werkzeuginnenwand ein Restmaterial, was zum einen das Bauteilgewicht erhöht sowie kritisch hinsichtlich Emissionen und Lackverträglichkeit bewertet wird.
Aus WO 02/072328 A1 ist ein Stützkern zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus Kunststoff bekannt, der als wasserlösliches Bindemittel Polyvinylpyrrolinon (PVP) enthält.
Zum Umwickeln des Stützkerns kann eine Flechtanlage verwendet werden, wobei sich der Stützkern im Auge der Flechtanlage befindet, während die Verstärkungsfäden unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Der Stützkern nach WO 02/072328 A1 besitzt jedoch eine zu geringe Bruchfestigkeit, um diesen hohen Abzugskräften standzuhalten.
Auch sind Stützkerne aus niedrig schmelzenden Wismutlegierungen verwendet worden. Wegen des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen der Kerne, dem hohen Gewicht und der daraus resultierenden schwierigen Handhabbarkeit, aber auch wegen der Gesundheitsgefährdung durch Wismut-Dämpfe, sind diese Kerne in der Praxis jedoch nicht verwendbar.
Ferner werden Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff eingesetzt, die in dem Bauteil verbleiben und damit zu einer entsprechenden Gewichtserhöhung führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein RTM-Verfahren zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff einen wasserdispergierbaren Stützkern bereitzustellen, der den hohen Abzugskräften beim Umwickeln mit den Verstärkungsfasern sicher standhält.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergeben.
Der erfindungsgemäß verwendete Stützkern zeichnet sich dadurch aus, dass das wasserlösliche Bindemittel zumindest teilweise ein Silikat enthält. Vorzugsweise wird als Bindemittel ein Wasserglas verwendet. Das Bindemittel ist dadurch gekennzeichnet, dass das SiO₂/M₂O-Gewichtsverhältnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0 insbesondere 1,8 bis 3,5 liegt, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet. Das Bindemittel weist vorzugsweise einen Feststoffanteil an SiO₂ und M₂O im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% auf.
Der Stützkern weist einen relativ geringen Anteil an Bindemittel von vorzugsweise 0,5 bis 8, insbesondere 1 bis 5 Gew.-% und damit einen entsprechend hohen Füllstoffanteil auf. Dadurch wird eine hohe Festigkeit erzielt, sodass er den hohen Abzugskräften beim Konfektionieren, d. h. Umwickeln, insbesondere Geflechten mit den Verstärkungsfasern standhält.
Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Kohlenstofffasern eingesetzt. Jedoch können auch andere Verstärkungsfasern verwendet werden, beispielsweise Glasfasern. Die Konfektionierung wird vorzugsweise mit einer Flechtanlage durchgeführt, wie sie zum Flechten von Kabeln und Seilen verwendet wird, wobei der Stützkern im Auge der Anlage den Platz der Kabel- bzw. Seilseele einnimmt.
Die Herstellung des faserverstärkten Strukturhohlbauteils erfolgt dann vorzugsweise nach dem RTM-Verfahren. Das heißt, der konfektionierte Stützkern wird zwischen die beiden Werkzeuge, also beispielsweise das Ober- und das Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt, worauf die Verstärkungsfasern auf dem Stützkern mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz imprägniert werden, das in den Hohlraum mit dem Stützkern zwischen den beiden Werkzeugteilen injiziert wird. Dabei kann das Resign-Transfer-Molding(RTM)-Verfahren durchgeführt werden, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff unter einem Druck von 10 bar und mehr in den Hohlraum gepresst wird, oder das Vakuum-Injektionsverfahren, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff in den Hohlraum gesaugt wird. Nach dem Aushärten des Harzes wird entformt und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt, sodass das faserverstärkte Strukturhohlbauteil gebildet wird.
Das verwendete Wasserglas kann beispielsweise ein Natronwasserglas sein. Jedoch können auch andere Wassergläser verwendet werden, insbesondere Kaliwasserglas oder auch Lithiumwasserglas.
Neben dem Wasserglas kann das Bindemittel weitere Alkalimetallverbindungen enthalten, die in fester Form oder als wässrige Lösung zugesetzt werden können, beispielsweise Natrium- oder Kaliumhydroxid oder in gelöster Form Natron- bzw. Kalilauge. Über diese Zusätze kann zum Beispiel das Modul (SiO₂/M₂O-Verhältnis) und der Feststoffanteil gesteuert werden.
Der Füllstoff besteht aus einem wasserunlöslichen teilchenförmigen Material, vorzugsweise zumindest teilweise aus Sand. Der Sand weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 100 bis 500 μm auf.
Der Sand hat neben der Festigkeit, die er dem Stützkern verleiht, auch bei der Herstellung des Stützkerns eine wichtige Funktion. Die Stützkerne für das erfindungsgemäße Verfahren werden nämlich vorzugsweise mit einer Kernschießmaschine hergestellt, wie sie beispielsweise in DE 102 00 927 A1 zur Herstellung von Kernen für Gießereizwecke beschrieben ist. Dabei wird ein Gemisch aus Gießereisand, in Wasser gelöstem Magnesiumsulfat als Bindemittel und Wasser in ein Formwerkzeug eingeschossen. Das Wasser wird anschließend verdampft, um den Gießkern zur Herstellung des Gussstückes zu bilden.
Damit das Gemisch aus Füllstoff, Wasser gelöstem Bindemittel und Wasser, das nach der Erfindung vorzugsweise zum Einschiessen verwendet wird, die für das Einschießen in das Formwerkzeug erforderliche Fluidität aufweist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Sandanteil des Füllstoffs mindestens 30 Gew.-% beträgt.
Weiterhin enthält der Füllstoff vorzugsweise Kunststoffteilchen, normalerweise mit einer mittleren Korngröße von 100 μm bis 2 mm. Die Kunststoffteilchen sind vorzugsweise aus zerkleinertem Kunststoffabfällen gebildet. Damit die Teilchen eher kugelförmig ausgebildet sind, wird vorzugsweise Kunststoffgranulat verwendet. Durch die Kugelform wird die erwähnte Fluidität des Gemischs aus Füllstoff, gelöstem Bindemittel und Wasser entsprechend erhöht.
Durch die Kunststoffteilchen wird zudem die Elastizität des Stützkerns erhöht, also seine Sprödigkeit reduziert. Zugleich kann das Gewicht der Stützkerne durch den Einsatz von Kunststoffteilchen als Füllstoff wesentlich erniedrigt werden. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Kunststoffs am Füllstoff mindestens 10 Gew.-%. Er kann jedoch auch deutlich höher liegen und 50 Gew.-% und mehr betragen. Damit können wesentlich leichtere und damit entsprechend besser handhabbare Kerne erhalten werden.
Eine Gewichtsreduzierung der Kerne ist ferner mit Keramikteilchen oder Glashohlkugeln erzielbar. Die Keramikteilchen können beispielsweise durch Flugasche gebildet sein. Da die Flugascheteilchen ebenfalls eher kugelförmig ausgebildet sind, wird mit ihnen zugleich die für das Einschiessen erforderliche Fluidität sichergestellt. Dies gilt natürlich erst recht für Glashohlkugeln als Füllstoff. Die mittlere Teilchengröße der Keramikteilchen und der Glashohlkugeln kann beispielsweise 50 bis 800 μm betragen.
Der Wasseranteil des Formstoffs, also des Gemisches aus Füllstoff, Bindemittel und Wasser, liegt vorzugsweise bei 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs. Dadurch wird die Verarbeitbarkeit des Formstoffs beim Einbringen in das Formwerkzeug, beispielsweise durch Einschießen oder Einpressen, sichergestellt. Der Wassergehalt wird jedoch möglichst niedrig gewählt, da der Stützkern vor dem Entformen getrocknet werden muss, damit er die erforderliche Festigkeit besitzt.
Ein bevorzugter Formstoff besteht beispielsweise aus 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2 Gew.-% silikathaltigem wasserlöslichen Bindemittel, mit einem SiO₂/M₂Ο-Verhältnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet, und einem Feststoffanteil von 30 bis 60%; und Rest Sand.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Strukturhohlbauteile aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Im Automobilbereich sind insbesondere die Stützsäulen, also die A-, B- und C-Säule, Schweller und Stoßfänger als Beispiele für solche faserverstärkte Strukturhohlbauteile zu nennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 02/072328 A1 [0006, 0007]
- DE 10200927 A1 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem ein wasserdispergierbarer Stützkern aus wasserlöslichem Bindemittel und Füllstoff mit den Verstärkungsfasern umwickelt wird, worauf die Fasern auf dem Stützkern mit einem aushärtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus silikatischen Bestandteilen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus Wasserglas besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Bindemittels 0,5 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 0,8 bis 4 Gew.-% und besonders bevorzugt 1 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein SiO₂/M₂O-Gewichtsverhältnis von 1,6 bis 4,0, insbesondere 1,8 bis 3,5 aufweist, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel einen Feststoffanteil an SiO₂ und M₂O im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus Natron- und/oder Kali- und/oder Lithiumwasserglas besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel neben dem Wasserglas wenigstens eine weitere Alkalimetallverbindung enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Alkalimetallverbindung eine Natrium- und/oder Kaliumverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Sand besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Kunststoffteilchen besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramikteilchen besteht.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteilchen bzw. Keramikteilchen kugelförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zumindest teilweise aus Keramik oder Glashohlkugeln besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Resign-Transfer-Molding-Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es als Vakuum-Injektionsverfahren durchgeführt wird.