DE102014004387A1

DE102014004387A1 - Verbundbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014004387A1
Application number: DE102014004387.8A
Authority: DE
Inventors: Tino Jacob; Dirk Lungershausen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-01
Also published as: US20150273806A1; GB201501762D0; CN104943325A; CN104943325B; US10046527B2; GB2527624A

Abstract

Die Herstellung eines Verbundbauteils umfasst die Schritte: a) Vorbereiten einer Schichtstruktur mit wenigstens zwei Tragschicht-Vorläuferschichten beiderseits einer Lücken (10) aufweisenden Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer, b) Erhitzen der Schichtstruktur, um die Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer plastisch zu machen, c) Komprimieren der Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer zwischen den Tragschicht-Vorläuferschichten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil mit wenigstens zwei Tragschichten und einer zwischen den Tragschichten angeordneten Schicht aus thermoplastischem Elastomer. Ein solches Verbundbauteil ist aus DE 10 2011 114 362 A1 bekannt.
Ein bekanntes Problem von Verbundbauteilen, insbesondere solchen mit Tragschichten aus faserverstärktem Kunststoff, ist die Neigung, bei Überbeanspruchung schlagartig zu brechen und dabei scharfkantige Bruchstücke zu bilden. Wenn ein solches Verbundbauteil im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird, muss sichergestellt sein, dass, wenn das Verbundbauteil bei einem Unfall birst, die Fahrzeuginsassen nicht durch dabei entstehende Splitter gefährdet sind. Die daraus resultierende Notwendigkeit, Verbundbauteile zu verkleiden, schränkt deren Anwendungsmöglichkeiten insbesondere beim Fahrzeuginnenausbau empfindlich ein.
Die Gefährdung durch Splitterbildung kann zwar erheblich eingeschränkt werden, wenn anstelle massiver Formteile aus faserverstärktem Kunststoff Verbundbauteile eingesetzt werden, in denen Tragschichten aus faserverstärktem Kunststoff durch Elastomerschichten miteinander verbunden sind. Die Fertigung derartiger Verbundbauteile durch Laminieren von Platten aus faserverstärktem Kunststoff und Zuschneiden und Formen des so erhaltenen Laminats ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden. Eine direkte Fertigung von Verbundbauteilen durch Platzieren von Fasereinlagen und sich zwischen diesen erstreckenden Elastomerschichten in einer Form und anschließendes Einspritzen von Harz in die Form ist dadurch, dass die Elastomerschichten die Ausbreitung des Harzes behindern, zumindest erheblich erschwert. Während im Falle eines dreischichtigen Laminats mit einer Schicht aus thermoplastischem Elastomer zwischen zwei Tragschichten zumindest noch die Möglichkeit besteht, zum Ausbilden der Tragschichten Harz von verschiedenen Seiten der Form her in jede Fasereinlage einzeln einzuspritzen, ist ein solcher Ansatz bei Laminaten mit einer größeren Zahl von Schichten nicht mehr praktikabel.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verbundbauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, die kostengünstig realisierbar sind und dennoch die Gefahr der Splitterbildung wirksam reduzieren.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit den Schritten:

a) Vorbereiten einer Schichtstruktur mit wenigstens zwei Tragschicht-Vorläuferschichten beiderseits einer Lücken aufweisenden Schicht aus thermoplastischem Elastomer
b) Erhitzen der Schichtstruktur, um die Schicht aus thermoplastischem Elastomer plastisch zu machen,
c) Komprimieren der Schicht aus thermoplastischem Elastomer zwischen den Tragschicht-Vorläuferschichten.

Während die Lücken der Schicht aus thermoplastischem Elastomer zunächst an vielen Stellen einen Kontakt zwischen den Tragschichten und insbesondere auch einen Übergang von Material von einer Seite der Schicht aus thermoplastischem Elastomer zur anderen zulassen, werden bei der anschließenden Erhitzung und Kompression Partikel der Elastomerschicht zwischen den Tragschichten abgeflacht, so dass zwischen den drei Schichten eine innige, großflächige Verbindung zustande kommt.
Die Kompression kann in einem Formwerkzeug an der gesamten Schichtstruktur vorgenommen werden, um gleichzeitig die Tragschicht-Vorläuferschichten zu Tragschichten zu verdichten.
Vorzugsweise umfassen die Tragschicht-Vorläuferschichten eine Schicht aus Fasermaterial. Eine solche Schicht dient einerseits zur Erhöhung der Belastbarkeit des fertigen Verbundbauteils, während der Fertigung kann sie als Platzhalter dienen, dessen Faserzwischenräume in einem weiteren Verfahrensschritt d) des Imprägnierens mit Harz aufgefüllt werden.
Der Schritt d) des Imprägnierens kann entfallen, wenn als Fasermaterial-Einlage ein Prepreg zum Einsatz kommt.
Der Anteil dieser Fasern am Volumen oder der Masse der Tragschichten kann mehr als die Hälfte betragen.
Mit dem Schritt d) des Imprägnierens kann zweckmäßigerweise vor dem Schritt c) des Komprimierens begonnen werden, um sicherzustellen, dass zumindest in einer Anfangsphase des Imprägnierens die Lücken in der Schicht aus thermoplastischem Elastomer noch groß sind und das Harz gut hindurchtreten lassen.
Eine zeitliche Überlappung der Schritte des Imprägnierens und des Komprimierens ist wünschenswert, damit nicht durch das beim Imprägnieren zugeführte Harz sämtliche Lücken der Schicht aus thermoplastischem Elastomer aufgefüllt werden, da dann ein Komprimieren der Schicht aus thermoplastischem Material nur noch schwerlich durchzuführen ist.
Wenn wenigstens einer der Tragschicht-Vorläuferschichten das Harz durch Lücken der Schicht aus thermoplastischem Elastomer hindurch zugeführt wird, ermöglicht dies die Fertigung von Verbundbauteilen mit mehr als drei Schichten. Aber auch bei Verbundbauteilen mit lediglich drei Schichten ist eine solche Vorgehensweise zweckmäßig, da sie die Zufuhr von Harz nur von einer Seite der Schichtstruktur her erfordert und daher die Verwendung einfacher Werkzeuge erlaubt.
Die Schicht aus thermoplastischem Elastomer, die in Schritt a) zwischen die Tragschicht-Vorläuferschichten eingefügt wird, kann vorab vorgefertigt werden, insbesondere in Form eines Gewebes, eines Geleges oder eines Vlieses aus Fasern, in Form einer perforierten Folie oder eines Gefüges von mehr oder weniger kompakten Partikeln, die durch Erweichen und teilweises Verschmelzen miteinander zu einer zusammenhängenden Schicht verbunden sind.
Insbesondere ein Vlies oder ein Partikelgefüge können auch unmittelbar in Schritt a) auf einer der Tragschicht-Vorläuferschichten aufgebaut werden, zum Beispiel durch Aufstreuen von Partikeln oder Ablegen von Fäden zu einem Vlies; da die so erhaltene Schicht vor dem Komprimieren nicht mehr verlagert werden muss, ist ein Zusammenhalt der Partikel oder Fäden der Schicht untereinander nicht notwendig.
Die Aufgabe wird weiterhin einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verbundbauteil mit wenigstens zwei Tragschichten und einer zwischen den Tragschichten angeordneten Schicht aus thermoplastischem Elastomer, die Lücken aufweist, über die die Tragschichten materialschlüssig zusammenhängen.
Die Tragschichten können eine Einlage aus Fasermaterial enthalten, wobei der materialschlüssige Zusammenhang zwischen den Tragschichten allerdings vorzugsweise nicht durch das Fasermaterial sondern durch eine Matrix gebildet ist, in die beiderseits der Schicht aus thermoplastischem Elastomer das Fasermaterial eingebettet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens;
2 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch in dem Formwerkzeug angeordnete Schichten vor dem Einspritzen von Harz;
3 eine Anfangsphase der Harzeinspritzung;
4 eine fortgeschrittene Phase, bei der das Harz beginnt, durch eine Lücke der Schicht aus thermoplastischem Elastomer hindurchzutreten;
5 die Ausbreitung des Harzes in einer Tragschicht jenseits der Schicht aus thermoplastischem Elastomer;
6 eine die Ausbreitung des Harzes begleitende Kompression; und
7 die Struktur des nach Abschluss der Kompression erhaltenen Werkstücks.
1 zeigt in einem schematischen Schnitt ein Formwerkzeug 1 mit einer Matrize 2 und einem komplementär zu der Matrize 2 geformten und gegen die Matrize 2 beweglichen Stempel 3. In einen Hohlraum 4 zwischen der Matrize 2 und dem Stempel 3 sind drei Schichten 5 aus einem lockeren Fasermaterial, jeweils voneinander getrennt durch Schichten 6 aus thermoplastischem Elastomer, eingelegt. Die Fasern der Schichten 5 können beliebige in der Verbundwerkstofftechnik gebräuchliche Fasern wie etwa Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder Fasern natürlichen, insbesondere pflanzlichen Ursprungs wie etwa Hanffasern sein. Vorzugsweise liegen diese Fasern in Form von vollen aufgewickelten Endlosbahnen vor, die zum Einlegen in die Matrize 2 lediglich in passender Form zugeschnitten werden müssen.
Die Schichten 6 aus thermoplastischem Elastomer sind erheblich dünner als die Schichten 5 aus Fasermaterial. Während letztere im Allgemeinen eine große Zahl von übereinanderliegenden Fasern oder Fäden enthalten, ist die Zahl der Fasern oder Fäden in den Schichten 6 auf das für einen Zusammenhalt der Schicht erforderliche Minimum beschränkt. So können die Schichten 6 insbesondere die Form eines lockeren Gewebes haben, oder sie können als Vlies ausgebildet sein, dessen Fasern, um den Zusammenhalt des Vlieses zu gewährleisten, an ihren Kreuzungspunkten aneinander haften. Auch solche Schichten 6 können als Rollenmaterial zugeliefert und für die Weiterverarbeitung in dem Formwerkzeug 1 in der jeweils benötigten Form zugeschnitten werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die in 1 gezeigte Anordnung der Schichten 5 und 6 herzustellen, indem jeweils nach Einlegen einer Schicht 5 aus Fasermaterial in die Matrize 2 Partikel aus thermoplastischem Elastomer in die Matrize 2 eingestreut werden, um eine Schicht 6 zu bilden, auf die wiederum die nächste Schicht 5 aus Fasermaterial aufgelegt werden kann.
Das Formwerkzeug 1 umfasst eine Absaugleitung 7, die mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe verbunden ist, um nach Schließen der Form, wenn der Stempel 3 in Kontakt mit der obersten Schicht 5 aus Fasermaterial platziert und die Form luftdicht verschlossen ist, den Hohlraum 4 zu evakuieren. Ein Einspritzkanal 8 ist vorgesehen, um ein matrixbildendes Harz in den evakuierten Hohlraum 4 einzuspritzen.
2 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine Schicht 6 aus thermoplastischem Elastomer zwischen zwei daran angrenzenden Schichten 5 aus Fasermaterial vor dem Einspritzen des Harzes. In der Schicht 6 sind einzelne Partikel oder Fasern 9 aus thermoplastischem Elastomer im Schnitt gezeigt. In den Schichten 5 sind die Fasern der Einfachheit halber nicht dargestellt, obwohl ihre Stärke von ähnlicher Größenordnung wie die der Fasern 9 sein kann. Die Fasern 9 aus thermoplastischem Elastomer sind jeweils voneinander durch Lücken 10 getrennt. Im hier gezeigten Beispiel sind die Fasern 9 unregelmäßig angeordnet, und die Abmessungen der Lücken 10 variieren. Schichten 6 mit gleichmäßig großen, regelmäßig angeordneten Lücken 10 wie etwa ein Gewebe oder eine perforierte Folie können ebenfalls zum Einsatz kommen.
3 zeigt die Schichten 5, 6 der 2 zu Beginn der Einspritzung von Harz 11. Das Harz 11 hat bislang einen Teil der oberen Schicht 5 aus Fasermaterial durchtränkt, die Schicht 6 aus thermoplastischem Elastomer jedoch noch nicht erreicht.
In 4 ist die Ausbreitung des Harzes 11 in der oberen Schicht 5 in seitlicher Richtung bereits erheblich weiter fortgeschritten, außerdem ist es durch eine Lücke 10 der Schicht 6 hindurchgetreten und beginnt soeben damit, auch die untere Schicht 5 zu durchtränken.
In 5 ist auch die untere Schicht 5 bereits weitgehend mit dem Harz 11 durchtränkt, die Lücken 10 der Schicht 6 sind, von einer Ausnahme abgesehen, noch frei von Harz.
Ein solches Ausbreitungsverhalten ist insbesondere durch Verwendung von thixotropem Harz 11 erreichbar. Insbesondere Epoxidharze, die ein solches Fließverhalten aufweisen, sind auf dem Markt verfügbar und können hier eingesetzt werden. Thixotrope Flüssigkeiten zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Viskosität im fließenden Zustand geringer ist als in Ruhe. Eine thixotrope Flüssigkeit durchtränkt daher ein Substrat nicht, indem sie auf breiter Front vordringt, sondern neigt dazu, beim Vordringen baumartige Strukturen auszubilden. Wenn sich das Vordringen der Flüssigkeit an einer Stelle ihrer Front verlangsamt, dann nimmt dort die Viskosität zu, was die Ausbreitung zusätzlich verzögert und dazu führt, dass nachdrängende Flüssigkeit zu denjenigen Stellen abfließt, an denen die Front ohnehin schon zügig vordringt. Deswegen genügt es, wenn das Harz 11 nur durch vereinzelte Lücken 10 der Schicht 6 hindurchtritt, um die jenseits der Schicht 6 liegende Schicht 5 aus Fasermaterial zu durchtränken.
Wenn die eingespritzte Menge an Harz 11 einen proportional zur Masse oder zum Volumen der Fasern der Schichten 5 vorgegebenen Wert erreicht hat, der vorzugsweise nicht größer ist als die Masse oder das Volumen der Fasern selbst, kann damit begonnen werden, die Schichten 5, 6 zwischen Stempel 3 und Matrize 2 zu komprimieren. Der Wert sollte so groß sein, dass eine einzelne Schicht 5 aus Fasermaterial nicht ausreicht, um das Harz 11 aufzunehmen, und folglich das Harz durch die Lücken der Schicht (oder Schichten) 6 hindurch auch die übrigen Schichten 5 aus Fasermaterial erreicht haben muss. Die Kompression findet bei einer Temperatur statt, bei der das thermoplastische Elastomer der Schicht 6 plastisch verformbar ist. Wie in 6 gezeigt, zwingt die Kompression das Harz 11 dazu, auf breiter Front in die noch nicht durchtränkten Bereiche der Schichten 5, 6 vorzurücken. Da die Fasern 9 aus thermoplastischem Material in den noch nicht durchtränkten Bereichen der Schicht 6 von Vakuum umgeben sind, können sie dem von oben und unten auf sie einwirkenden Druck der Schichten 5 durch Querschnittsabflachung nachgeben. Dadurch verengen sich die Lücken 10 zwischen ihnen.
Der Kompressionsvorgang endet, wenn die luftleeren Zwischenräume in den Schichten 5, 6 geschlossen sind. Die Faserschichten 5 sind so mit dem in sie eingedrungenen Harz 11 zu Tragschichten 13 verdichtet. Die Fasern 9 der Schicht 6 aus thermoplastischem Elastomer sind, wie in 7 gezeigt, zu einer nahezu geschlossenen Schicht 6' verschmolzen, in der lediglich diejenigen Lücken 10 noch vorhanden sind, durch die hindurch das Harz 11 von einer Schicht 5 zur anderen geflossen ist. In Anpassung an lokale Inhomogenitäten der Tragschichten 13, wie etwa einzelne vorspringende Fasern oder Schwankungen der Faserdichte in ihnen kann die Schicht 6' lokale Ein- und Ausbuchtungen 12 aufweisen. Da diese Ein- und Ausbuchtungen 12 Scherbewegungen der Schichten 5 gegeneinander erschweren, tragen sie zur Festigkeit und Belastbarkeit des fertigen Verbundwerkstücks bei.
Es ist leicht nachvollziehbar, dass anstelle von aus reinem Fasermaterial bestehenden Schichten 5 auch mit Harz vorimprägnierte Schichten, sogenannte Prepregs, zum Einsatz kommen können. Deren Verwendung reduziert die Menge an einzuspritzendem Harz; da eine frühe Verdichtung nicht dazu führen kann, dass eine Faserschicht harzfrei bleibt, kann bei Verwendung von Prepregs auch bereits vor dem Einspritzen von Harz mit dem Verdichten begonnen werden. Im Extremfall können Prepregs das Einspritzen des Harzes 11 völlig überflüssig machen; indem die Schichten 5, 6 in dem evakuierten Hohlraum 4 erhitzt und komprimiert werden, kann auch dann erreicht werden, dass die Partikel einer zwischen die Schichten 5 eingebetteten Schicht aus thermoplastischem Elastomer im Querschnitt abgeflacht werden, so dass sich die dazwischenliegenden Lücken 10 weitgehend schließen und die resultierende Schicht 6' sich an die Konturen der angrenzenden Schichten 5 anpasst.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Formwerkzeug
2: Matrize
3: Stempel
4: Hohlraum
5: Schicht aus Fasermaterial
6: Schicht aus thermoplastischem Elastomer
7: Absaugleitung
8: Einspritzkanal
9: Faser
10: Lücke
11: Harz
12: Ein-/Ausbuchtung
13: Tragschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114362 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit den Schritten: a) Vorbereiten einer Schichtstruktur mit wenigstens zwei Tragschicht-Vorläuferschichten beiderseits einer Lücken (10) aufweisenden Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer, b) Erhitzen der Schichtstruktur, um die Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer plastisch zu machen, c) Komprimieren der Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer zwischen den Tragschicht-Vorläuferschichten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt c) die Schichtstruktur in einem Formwerkzeug (1) komprimiert wird, um die Tragschicht-Vorläuferschichten zu Tragschichten (13) zu verdichten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Tragschicht-Vorläuferschichten eine Schicht (5) aus Fasermaterial umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Volumen- oder Massenanteil der Fasern an den Tragschichten (13) mehr als die Hälfte ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, mit dem weiteren Schritt d) Imprägnieren der Tragschicht-Vorläuferschichten mit einem Harz (11).
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem Schritt d) vor dem Schritt c) begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Schritte c) und d) zeitlich überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem wenigstens einer der Tragschicht-Vorläuferschichten das Harz (11) durch Lücken der Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer hindurch zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer vorgefertigt und anschließend in Schritt a) zwischen die Tragschicht-Vorläuferschichten eingefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem in Schritt a) die Schicht aus thermoplastischem Elastomer (6) auf einer der Tragschicht-Vorläuferschichten aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht (6) aus thermoplastischem Elastomer ein Gewebe, ein Gelege, ein Vlies, eine perforierte Folie oder ein Partikelgefüge verwendet wird.
Verbundbauteil mit wenigstens zwei Tragschichten (13) und einer zwischen den Tragschichten (13) angeordneten Schicht (6') aus thermoplastischem Elastomer, die Lücken (10) aufweist, über die die Tragschichten (13) materialschlüssig zusammenhängen.
Verbundbauteil nach Anspruch 11, dem die Tragschichten (13) eine Schicht aus Fasermaterial (5) enthalten.