DE102011077834A1

DE102011077834A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Strukturteils, insbesondere Fahrzeug-Rades aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102011077834A1
Application number: DE102011077834A
Authority: DE
Inventors: Hans Schwager
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Schwager Hans De
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Strukturteils, welches aus einem ringförmigen Abschnitt und mehreren diesen abstützenden oder an diesem abgestützten Radial-Abschnitten besteht und durch Spritzgießen oder Spritzpressen von faserverstärktem Kunststoff unter Verwendung von vorgefertigtem und in den Formhohlraum eines Spritzgieß-Werkzeugs eingelegtem Halbzeug hergestellt wird. Dabei wird das in Form eines Bandes gestaltete und lange Fasern enthaltende Halbzeug nicht nur zur Verstärkung des ringförmigen Abschnitts, sondern auch der einzelnen Radial-Abschnitte jeweils ringförmig in das Spritzgieß-Werkzeug eingelegt, wonach das Werkzeug geschlossen wird und in den Formhohlraum das im wesentlichen kurze Fasern enthaltende Kunststoffmaterial eingespritzt wird, womit das bandförmige Halbzeug darin eingebettet wird. Insbesondere ist das Faserverbund-Strukturteil ein aus einer Felge als dem ringförmigen Abschnitt, aus Speichen als Radial-Abschnitte und aus einem Nabenteil aufgebautes Rad eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs und es enthält das bandförmige Halbzeug im wesentlichen Endlos-Fasern, die sich jeweils ununterbrochen durch das gesamte Band hindurch zwischen dessen beiden Enden erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Strukturteils, welches aus einem ringförmigen Abschnitt und mehreren diesen abstützenden oder an diesem abgestützten Radial-Abschnitten besteht und durch Spritzgießen oder Spritzpressen von faserverstärktem Kunststoff unter Verwendung von vorgefertigtem und in den Formhohlraum eines Spritzgieß-Werkzeugs eingelegtem Halbzeug hergestellt wird. Insbesondere handelt es sich bei dem Faserverbund-Strukturteil um ein aus einer Felge als dem genannten ringförmigen Abschnitt, aus Speichen als Radial-Abschnitten und aus einem Nabenteil aufgebautes Rad eines Kraftfahrzeugs, und diesbezüglich wird zum technischen Umfeld beispielshalber auf die DE 42 02 287 A1 verwiesen.
Fahrzeug-Räder sollten bekanntlich ein möglichst geringes Gewicht besitzen, weshalb neben geeigneten Leichtmetalllegierungen ein faserverstärktes Kunststoffmaterial ein bevorzugter Werkstoff wäre. Jedoch sind die Kräfte, die auf ein Fahrzeug-Rad, insbesondere ein solches eines Kraftfahrzeugs einwirken können, immens, weshalb an einem aus Kunststoff gefertigten Rad besondere Maßnahmen zur Gewährleistung der geforderten Festigkeit vorzusehen sind.
Diesbezüglich eine Maßnahme aufzuzeigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wobei das erfindungsgemäße grundsätzliche Prinzip auf beliebige Faserverbund-Strukturteile, die im weitesten Sinne ähnlich einem Fahrzeug-Rad aufgebaut sind, nämlich aus einem ringförmigen Abschnitt und mehreren diesen abstützenden oder an diesem abgestützten Radial-Abschnitten bestehen, einfach übertragbar ist, weshalb vorliegend in allgemeiner Form ein Herstellverfahren für ein solches entsprechendes Faserverbund-Strukturteil beansprucht wird.
Die Lösung der genannten Aufgabe ist für ein Herstell-Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das in Form eines Bandes gestaltete und lange Fasern enthaltende Halbzeug nicht nur zur Verstärkung des ringförmigen Abschnitts, sondern auch der einzelnen Radial-Abschnitte jeweils ringförmig in das Spritzgieß-Werkzeug eingelegt wird, wonach das Werkzeug geschlossen wird und in den Formhohlraum das im wesentlichen kurze Fasern enthaltende Kunststoffmaterial eingespritzt wird, womit das bandförmige Halbzeug darin eingebettet wird. Vorzugsweise enthält das bandförmige Halbzeug dabei im wesentlichen sog. Endlos-Fasern, die sich jeweils ununterbrochen durch das gesamte Halbzeug-Band hindurch zwischen dessen beiden Enden erstrecken.
Vorgeschlagen wird die Verwendung eines bandförmigen bzw. bandartigen Halbzeugs, das in das Spritzgieß-Werkzeug und vorzugsweise in den Formhohlraum von dessen Unter-Werkzeug eingelegt wird, ehe das Werkzeug geschlossen, d. h. das Ober-Werkzeug auf das Unter-Werkzeug gelegt wird, wonach in den Formhohlraum des Werkzeugs das ebenfalls mit Fasern versehene flüssige und im Werkzeug aushärtende Kunststoffmaterial eingespritzt wird. Dabei sei ausdrücklich erwähnt, dass durch die verwendeten Begriffe „Ober-Werkzeug” und „Unter-Werkzeug” keineswegs die Lage dieser Werkzeug-Teile im Raum beschrieben werden soll, sondern lediglich die Tatsache, dass es sich um ein mehrteiliges Werkzeug handelt, welches einen durch Öffnen des Ober-Werkzeugs zugänglichen Formhohlraum besitzt.
Erfindungsgemäß befinden sich im bandartigen Halbzeug, im weiteren auch Halbzeug-Band genannt, im wesentlichen längere Fasern mit einer Länge von zumindest mehreren Zentimetern und vorzugsweise sog. Endlosfasern, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des verwendeten Band-Materials erstrecken. Aufgrund dieses Merkmals ist das Halbzeug-Band extrem hoch belastbar und kann somit im endgültigen Zustand des Strukturteils bzw. Rades hohe Kräfte übertragen. Vorzugsweise wird hierfür das Halbzeug-Band mehrfach ringförmig (so dass also mehrere nebeneinander oder aufeinander liegende Ringe gebildet werden) in das Werkzeug eingelegt und vorzugsweise ist das Halbzeug-Band zumindest geringfügig gespannt in das Werkzeug eingelegt, ehe das Kunststoffmaterial in dessen Formhohlraum eingespritzt wird. Die besagte Spannung kann dabei einfach dadurch in das Halbzeug-Band eingebracht werden, dass dieses Band um sog. Spannelemente unter Aufbringung einer geringen Spannkraft geführt oder gewickelt wird. Zumindest für den ringförmigen Abschnitt des Strukturteils können Kernteile oder Stützkerne des Werkzeugs, die für diesen ringförmigen Strukturteil-Abschnitt formgebend sind, die entsprechenden Spannelemente für das Halbzeug-Band bilden. Für die Ausbildung der genannten Radial-Abschnitte des Strukturteils hingegen können in deren Endabschnitten stiftartige Spannelemente oder dergleichen im Werkzeug vorgesehen sein, um welche das bandförmige Halbzeug einfach oder mehrfach geführt bzw. gewickelt wird. Damit die beim Einlegen oder Wickeln des Halbzeug-Bandes aufgebrachte Spannung im Band erhalten bleibt, kann das Ende des Bandes geheftet oder verklebt oder auf andere Weise geeignet befestigt werden.
Im Falle eines Fahrzeug-Rades als Faserverbund-Strukturteil ist dann nicht nur in der Felge des Rades ein Halbzeug-Band vorzugsweise in mehreren Lagen und je nach Breite mehrfach nebeneinander in Umfangsrichtung der Felge gewickelt vorgesehen, welches der Felgenform entsprechend ringförmig um entsprechende im Formhohlraum vorgesehene Stützkerne oder dergleichen geführt ist, sondern es enthält auch jede Rad-Speiche für sich ein ringförmig um geeignete Elemente geführtes oder gewickeltes Halbzeug-Band. Vorzugsweise ist in jedem Endabschnitt einer Speiche ein solches als Spanner für das Halbzeug-Band fungierendes, stiftartiges Element vorgesehen, welches auch als Spannelement bezeichnet wird.
Vorzugsweise ist jedes stiftartige Spannelement solchermaßen ausgerichtet, dass das Halbzeug-Band gut um dieses herum geführt werden kann, also parallel zur Oberfläche des Bandes und senkrecht zur Längserstreckung des Bandes liegt. So können die Spannelemente im wesentlichen parallel zur Drehachse des fertigen Rades ausgerichtet sein, wobei jedenfalls das nahe zum Rad-Mittelpunkt liegende Spannelement auch durch denjenigen Kern im Werkzeug gebildet sein kann, der zur Darstellung eines Loches für eine der Radschrauben, mit denen das Rad an der Nabe eines Radträgers oder dgl. befestigt wird, vorgesehen ist.
An einem Fahrzeug-Rad als erfindungsgemäß herzustellendem Faserverbund-Strukturteil kann im übrigen ähnlich wie die Speichen auch das Nabenteil des Rades gebildet werden, nämlich indem auch für dessen Ausbildung ein bandförmiges Halbzeug um im Formhohlraum vorgesehene stiftartige Spannelemente gewickelt wird. Auch hierbei können die Spannelemente gleichzeitig die Werkzeug-Kerne für die Löcher für die Radschrauben im Rad bilden. Gegebenenfalls ist es aber überhaupt nicht erforderlich, das Nabenteil durch ein Halbzeug-Band zu verstärken, da jedenfalls in dem quasi innerhalb der Löcher für die Radschrauben liegenden Nabenteil-Abschnitt des Rades nur geringe Kräfte wirksam werden.
Es können nicht nur im Unter-Werkzeug, in welches das Halbzeug-Band eingelegt wird, für letztgenanntes die besagten Spannelemente vorgesehen sein, sondern es können auch im Ober-Werkzeug entsprechende Spannelemente vorgesehen sein, die beim Schließen des Spritzgieß-Werkzeugs auf die im Unter-Werkzeug vorgesehenen Spannelemente auftreffen. Damit ist eine sichere Lage des Halbzeug-Bandes vorzugsweise unter Spannung im Werkzeug auch bei Einspritzen des flüssigen Kunststoffmaterials gewährleistet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Spannelemente des Unter-Werkzeugs durch die auftreffenden Spannelemente des Ober-Werkzeugs zumindest geringfügig in das Unterwerkzeug hinein verlagert werden. Im übrigen entspricht bei einem Werkzeug für die erfindungsgemäße Herstellung eines Fahrzeug-Rades die Schließrichtung bzw. Öffnungsrichtung des Werkzeugs üblicherweise der Richtung der Rad-Drehachse, d. h. im wesentlichen in Richtung der Rad-Drehachse wird das Ober-Werkzeug auf das Unter-Werkzeug gelegt, wenn der Formhohlraum geschlossen werden soll.
In das geschlossene Werkzeug, genauer in dessen Formhohlraum kann dann (nach Einlegen des Halbzeug-Bandes) zur Bildung des Faserverbund-Strukturteils das flüssige Kunststoff-Material mit den darin befindlichen im wesentlichen kurzen Fasern (die Faserlänge kann bspw. in der Größenordnung von 3 bis 20 mm liegen) eingespritzt werden, um anschließend darin auszuhärten. Bei diesem flüssigen Kunststoff-Material kann es sich um ein thermoplastisches Material oder ein Recyclat hiervon, bspw. Polyamid, aber auch um einen Duroplast (bspw. Polyurethan, Epoxidharz) handeln. Als mögliche Fasern sind Kohlefasern, aber auch Glasfasern, Metallfasern oder Textilfasern oder ein Mix verschiedener Faserarten zu nennen. Insbesondere mit Textilfasern könnte sich eine geringe Stoßempfindlichkeit eines Fahrzeug-Rades (als erfindungsgemäß hergestelltem Faserverbund-Strukturteil) im Hinblick auf mögliche Bordstein-Kontakte darstellen lassen.
Die beigefügten 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäß hergestelltes Fahrzeug-Rad in perspektivischer Ansicht (1) bzw. im Halbschnitt (2), wobei aus 2 die Lage des Halbzeug-Bandes besonders gut hervorgeht, während in 1 die die Rad-Speichen verstärkenden Halbzeug-Bänder nur gestrichelt dargestellt sind, da sie in einer solchen Ansicht eines fertigen Rades selbstverständlich nicht sichtbar sind. 3 schließlich zeigt lediglich prinzipiell und stark abstrahiert die Aufsicht in den Formhohlraum des offenen Unter-Werkzeugs, mit welchem im Zusammenwirken mit einem entsprechenden nicht dargestellten Ober-Werkzeug ein Kunststoff-Rad nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, wobei in das Unter-Werkzeug ein Halbzeug-Band zur Verstärkung der Felge und der Speichen eingelegt ist.
Zunächst auf 1 Bezug nehmend erkennt man ein in der äußeren Gestaltung wie üblich aufgebautes Rad eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Personenkraftwagens, bestehend aus einer Felge 1, mehreren Speichen 2 sowie einem Nabenteil 3. Löcher zur Aufnahme der Radschrauben sind mit der Bezugsziffer 4 gekennzeichnet. Dieses Rad ist vollständig in faserverstärktem Kunststoffmaterial nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Demzufolge befindet sich nicht nur in der Felge 1 nicht dargestelltes Halbzeug-Band, sondern es ist auch jede Speiche 2 durch eingebettetes ringförmig angeordnetes Halbzeug-Band 5, das gestrichelt – da eigentlich nicht sichtbar – dargestellt ist, verstärkt.
2 zeigt mit einer radialen Schnittebene einen Halbschnitt durch dieses Fahrzeug-Rad. In der Felge 1 sind mehrere nebeneinander liegende und sich auch teilweise überdeckende Lagen von Halbzeug-Band 5 vorgesehen. Beispielsweise können bei einer Felgenbreite von 19 cm und einer Breite des Halbzeug-Bandes 5 von 3 cm zwischen den beiden Felgenhörnern sieben nebeneinander liegende Lagen von Halbzeug-Band 5 vorgesehen sein. Jede solche „Lage” von Halbzeug-Band 5 kann dabei aus mehrfach aufeinander liegendem Halbzeug-Band 5 aufgebaut sein, indem – wie anhand von 3 noch erläutert wird – das Halbzeug-Band 5 mehrfach um sog. Stützkerne, die die dem Rad-Mittelpunkt M zugewandte Kontur der Felge 1 bestimmen, in Umfangsrichtung des Rades bzw. der Felge aufgelegt wird.
3 zeigt prinzipiell die Sicht auf bzw. in ein Unter-Werkzeug zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Fahrzeug-Rades, welches etwas anders aussieht als dasjenige der 1, 2. Insbesondere besitzt das mit dem Werkzeug nach 3 herstellbare Rad nur fünf Speichen. Es besteht das Unter-Werkzeug unter anderem aus mehreren, hier vier die Form der im ringförmigen Abschnitt 11 des Formhohlraums geformten Felge und insbesondere deren der Rad-Mitte M abgewandten Seite bestimmenden Segmenten U1, U2, U3, U4. Weiterhin befinden sich im Formhohlraum quasi innerhalb dieser einen äußeren Kreis-Ring bildenden Segmente U1–U4 hier fünf unter anderem die der Rad-Mitte M zugewandte Seite der kreisförmigen Felge bestimmende Stützkerne S1–S5, zwischen jeweils zwei von denen eine der insgesamt fünf Speichen des Rades in jedem der insgesamt fünf strebenartigen Abschnitte 12 geformt werden. Im Zentrum 13 des Formhohlraums schließlich wird das den Rad-Mittelpunkt M umgebende Nabenteil des Rades ausgeformt, indem bei geschlossenem Werkzeug in den aus den genannten Abschnitten bestehenden Formhohlraum mit Kurzfasern versehenes Kunststoff-Material eingespritzt wird. Zuvor jedoch, d. h. vor dem Schließen des Werkzeugs wird bandförmiges Halbzeug 5 („Halbzeug-Band 5”) wie im weiteren beschrieben in den Formhohlraum eingelegt.
Zunächst ist bandförmiges Halbzeug 5 zur Verstärkung der Speichen des Rades vorgesehen, wie bereits anhand der 1, 2 erläutert wurde. Hierfür ist in jedem Endbereich jedes strebenartigen Abschnitts 12 des Formhohlraums ein stiftartiges annähernd oder im wesentlichen parallel zur durch den Rad-Mittelpunkt M senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Rad-Drehachse ausgerichtetes Spannelement 14 bzw. 16 vorgesehen, wobei jedes radial weiter innen liegende Spannelement 14 gleichzeitig als Werkzeug-Kern zur Bildung der zu den 1, 2 bereits genannten Löcher 4 für die Radschrauben dient.
Es wird um die beiden Spannelemente 14, 16 eines strebenartigen Abschnitts 12 bandförmiges Halbzeug-Band 5 wie dargestellt mehrfach herumgeführt bzw. gewickelt, derart dass ausgehend vom ersten (parallel zur Rad-Drehachse ausgerichteten) Spannelement 14 das mit seiner Oberfläche im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtete und beispielsweise 2 cm breite Halbzeug-Band 5 bzw. bandförmige Halbzeug 5 zum zweiten radial weiter außen liegenden Spannelement 16 und um dieses herum zurück zum ersten Spannelement 14 und dieses dabei abermals umrundend wieder zum zweiten Spannelement 16 geführt wird. Ein solches Umwickeln der beiden Spannelemente 14, 16 eines strebenartigen Abschnitts 2 kann dabei vorzugsweise mehrfach erfolgen, wobei das Halbzeug-Band 5 gespannt und mit seinem Ende schließlich geeignet unter Spannung fixiert wird.
Sind sämtliche strebenartigen Abschnitte 12 gewickelt bzw. deren Spannelemente 14, 16 wie beschrieben umwickelt, so wird weiterhin bandförmiges Halbzeug 5 in den ringförmigen, die Felge des Rades bildenden Abschnitt 11 des Formhohlraums 1 eingebracht. Dabei wird auf die den Segmenten U1–U4 zugewandten Außenseiten der Stützkerne S1–S5 das Halbzeug-Band 5 solchermaßen aufgelegt, dass die Gesamtheit der Stützkerne S1–S5 mehrfach und mehrlagig umwickelt wird, wobei jedenfalls die erste Lage des Halbzeug-Bandes 5 durchaus an den vom Rad-Mittelpunkt M entfernt liegenden Spannelementen 16 bzw. an dem auf diesen bereits aufliegenden Halbzeug-Band 5 zum Anliegen kommen kann. Abschließend wird das Werkzeug geschlossen und in dessen Formhohlraum mit kurzen Fasern versehenes Kunststoffmaterial eingebracht, welches danach aushärtet. Da dabei an die Stelle der Spannelemente 14, 16 kein Kunststoffmaterial gelangen kann, werden dort Löcher im fertigen Bauteil bzw. Rad gebildet, die jedoch entweder ohnehin benötigt werden oder keine funktionale Einschränkung bedeuten bzw. sogar ein Designelement darstellen können.
Selbstverständlich sind die mehreren Segmente U1–U4 für das Entnehmen des im Werkzeug vollständig geformten Rades jeweils vom Rad-Mittelpunkt weg wie grundsätzlich bekannt verlagerbar, um das Rad trotz der notwendigen Hinterschnitte, auf welche hier nicht näher eingegangen werden muss, aus dem Werkzeug entnehmen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4202287 A1 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Strukturteils, welches aus einem ringförmigen Abschnitt (1) und mehreren diesen abstützenden oder an diesem abgestützten Radial-Abschnitten (2) besteht und durch Spritzgießen oder Spritzpressen von faserverstärktem Kunststoff unter Verwendung von vorgefertigtem und in den Formhohlraum (11, 12, 13) eines Spritzgieß-Werkzeugs eingelegtem Halbzeug (5) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in Form eines Bandes gestaltete und lange Fasern enthaltende Halbzeug (5) nicht nur zur Verstärkung des ringförmigen Abschnitts (1), sondern auch der einzelnen Radial-Abschnitte (2) jeweils ringförmig in das Spritzgieß-Werkzeug eingelegt wird, wonach das Werkzeug geschlossen wird und in den Formhohlraum (11, 12, 13) das im wesentlichen kurze Fasern enthaltende Kunststoffmaterial eingespritzt wird, womit das bandförmige Halbzeug darin eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Faserverbund-Strukturteil ein aus einer Felge (1) als dem ringförmigen Abschnitt, aus Speichen (2) als Radial-Abschnitten und aus einem Nabenteil (3) aufgebautes Rad eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs ist und wobei das bandförmige Halbzeug (5) im wesentlichen Endlos-Fasern enthält, die sich jeweils ununterbrochen durch das gesamte Band hindurch zwischen dessen beiden Enden erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbzeug-Band (5) in sich zumindest geringfügig gespannt im Werkzeug eingelegt ist, ehe das Kunststoffmaterial eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das für die Ausbildung der Radial-Abschnitte (2) oder Speichen (2) vorgesehene bandförmige Halbzeug (5) um zwei im Endbereich jedes Radial-Abschnittes (2) oder jeder Speiche (2) im Formhohlraum des Werkzeugs vorgesehene stiftartige Spannelemente (14, 16) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Falle eines Fahrzeug-Rades als Faserverbund-Strukturteil auch für die Ausbildung des Nabenteils (3) ein bandförmiges Halbzeug um im Formhohlraum vorgesehene stiftartige Spannelemente gewickelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mit dem Schließen des Spritzgieß-Werkzeugs auf im Formhohlraum des Unter-Werkzeugs vorgesehene Spannelemente entsprechende im Ober-Werkzeug vorgesehene Spannelemente auftreffen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Spannelemente des Unterwerkzeugs durch die auftreffenden Spannelemente des Oberwerkzeugs zumindest geringfügig in das Unterwerkzeug hinein verlagert werden.