AT15930U1 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundes - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Verbundes, insbesondere eines Faser-Kunststoff- Verbundes, wobei das Verfahren das Zusammenführen eines polymeren Vorprodukts, eines Aktivators, eines Katalysators und wenigstens einer weiteren Einlegekomponente beinhaltet, wobei in einem ersten Schritt die wenigstens eine Einlegekomponente in eine Form eingebracht wird, wobei in einem weiteren Schritt eine flüssige Mischung aus einem polymerem Vorprodukt, einem Aktivator und einem Katalysator hergestellt und in die Form eingebracht wird und in der Form zu Kunststoff polymerisiert und wobei durch die Polymerisation ein Verbund mit der wenigstens einen Einlegekomponente gebildet wird, wobei der Verbund nach der Polymerisation eine erste Form aufweist und dass dieser Verbund mit der ersten Form nach der Polymerisation durch ein Umformverfahren in eine von der ersten Form abweichende zweite Form verformt wird.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes, insbesondere eines Faserkunststoffverbundes, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Formgebungsanlage mit einer Formgebungsmaschine, insbesondere eine Spritzgießmaschine, und einer Umformeinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.

[0002] Thermoplastische vollkonsolidierte Faserverbundkunststoffplatten, sogenannte Organobleche, sind Halbzeuge, die in einem Umformprozess mit anschließender optionaler Funktionalisierung durch Spritzguss automatisiert zu Faserverbundkunststoffbauteilen verarbeitet werden können. Meist wird die Plattenware mit vorgegebener Faserorientierung und mit einheitlicher Dicke geliefert. Jedoch bietet eine weitere Verarbeitung von solchen Organoblechen durch ihre vorgegebene Faserorientierung oft nur beschränkte Möglichkeiten, wenn eine bauteilspezifische Faserausrichtung benötigt wird.

[0003] Organobleche sind aus einem thermoplastischen Kunststoff (als Matrix) und einem Fasermaterial gefertigt, sie werden in der Regel industriell auf Doppelbandpressen hergestellt. Dabei entstehen rechteckige Platten. Bei einem Zuschnitt von Organoblechen zur weiteren Verarbeitung der Plattenware entsteht relativ viel Verschnitt und der meist homogene Lagenaufbau limitiert das Gewichtseinsparungspotential. Aufgrund der bereits bestehenden Verbindung des Fasermaterials und des thermoplastischen Kunststoffs (benetzte Fasern) ist eine Wiedereinkopplung des Verschnittes in den Herstellungsprozess (Recycling) nur schwer bzw. kaum möglich. Die Eigenschaften von Organoblechen resultieren unter anderen aus der teilweise noch unvollständigen Faserbenetzung und der Matrixzähigkeit. Bei einem nachfolgenden Umformprozess kann es speziell in Bereichen mit hohen Verformungsgraden zu Materialanhäufungen oder Faltenbildung kommen.

[0004] Durch die EP 2 876 133 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundkunststoffplatten mit reaktiv hergestellter Matrix beschrieben. Hierbei können mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Webstilen als auch Kombinationen von Geweben und Vlies oder einzelnen Fasern ermöglicht werden. Nachteilig bei einer Weiterverarbeitung einer solchen thermoplastischen Faserverbundkunststoffplatte (eines Organoblechs) ist, dass es durch die homogene Ausrichtung von Einlegekomponenten nur bedingt möglich ist, eine spezifische Ausgestaltung für ein Endprodukt vorzunehmen. Die unterschiedliche Ausrichtung von Fasermaterialien innerhalb eines Bauteiles aufgrund von spezifischen Bauteilanforderungen ist aufgrund der einheitlichen Ausrichtung über das gesamte Organoblech nicht möglich.

[0005] Eine weitere Möglichkeit zur Halbzeugherstellung bietet das In-situ-Verfahren, welches auch als thermoplastisches RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) bekannt ist. Die Grundidee dahinter liegt in der Zusammenführung und Vermischung von meist zwei reaktiven Komponenten im Zuge des Injektionsvorganges beim Transfer der reaktiven Masse in die häufig Endlosfasern enthaltende Werkzeugkavität. Die eine reaktive Komponente besteht aus Monomeren (alternativ Prepolymere) und Aktivator und die andere aus Monomeren und Katalysator. Beim Einspritzen der sehr dünnflüssigen reaktiven Komponenten können Gewirke, Gewebe oder Ähnliches sehr leicht durchflossen und imprägniert werden. Durch die anschießende Polymerisation entstehen sehr widerstandsfähige Verbünde bzw. Halbzeuge. Weiters lassen sich dadurch Kunststoffteile mit sehr dünnen Wandstärken herstellen, die mit konventionellen Kunststoffen nicht machbar wären. Die In-situ-Technologie basiert auf der Reaktivverarbeitung von ε-Caprolactam mittels anionischer Schnellpolymerisation und wird seit langem auch unter Verwendung von Verstärkungsfasern durchgeführt (P. Wagner, „Verarbeitung von Caprolactam zu Polyamid-Formteilen nach dem RIM-Verfahren“, Kunststoff 73 (1983) 10, S. 588). Bei diesem Verfahren kann in einem ersten Schritt ein Preform (Anordnung der Einlegekomponenten vor der Zuführung des Matrixmaterials) mit optimiertem Lagenaufbau hergestellt werden, der in das Werkzeug eingelegt wird. Die anschließende Injektion und Reaktion der reaktiven Komponenten führt zu einem Faserverbundbauteil mit einer sehr schlagzähen Matrix. Ein solches In-situ-Verfahren ist auch durch die AT 511 514 A2 bekannt.

[0006] Für ein Faserverbundbauteil, das in einem In-situ-Verfahren gefertigt wird, ist ein meist dreidimensionaler Preform erforderlich, was bei komplexen Bauteilgeometrien jedoch mit hohen Herstellungskosten für den Preform verbunden ist. Die Handhabung und Umformung von trockenen Endlosfasergeweben und Gelegen zu Preforms lässt sich nur sehr aufwändig und teuer automatisieren. Darüber hinaus ist eine gute Drapierbarkeit der textilen Endlosfasern Voraussetzung. Daher können in der Regel die häufig für die Organoblechherstellung verwendeten kostengünstigen Rovingdirektgewebe nicht verwendet werden, da das leichte Ausfransen den Randbeschnitt erschwert.

[0007] Die Verwendung der im Vergleich zum In-situ-Prozess eher schwerfließenden Thermoplastschmelzen, wie aus der US 9,333,690 B2 bekannt, erfordert spezielle Maßnahmen, um Endlosfasern imprägnieren zu können. Vliese weisen in der Regel eine bessere Permeabilität im Vergleich zu Geweben oder Gelegen auf, haben jedoch wesentlich schlechtere mechanische Eigenschaften. Eine hohe Imprägniergüte ist mit Thermoplastschmelzen wesentlich schwieriger zu erreichen als mit reaktiven Ausgangskomponenten.

[0008] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gegenüber dem Stand der Technik, vor allem hinsichtlich der Preformherstellung, vereinfachtes Verfahren zum Herstellen eines Verbundes, insbesondere eines Faserkunststoffverbundes, und eine entsprechende Formgebungsanlage zu schaffen. Insbesondere soll die Herstellung des Verbundes trotz lastpfadoptimierter Auslegung weniger fehleranfällig, mit vereinfachter Preformherstellung, verschnittoptimierter, kostengünstiger und in größeren Mengen möglich sein.

[0009] Dies wird erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Formgebungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0010] Dies wird für ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein Verbund nach der Polymerisation eine erste Form aufweist und dass dieser erste Verbund nach der Polymerisation durch ein Umformverfahren in eine von der ersten Form abweichende zweite Form verformt wird.

[0011] In der Fertigungstechnik wird ein Umformverfahren gemeinhin als Fertigungsverfahren definiert, in dem ein Material gezielt plastisch in eine andere Form gebracht wird. Das Material behält seine Masse und seinen Zusammenhalt bei der Umformung bei.

[0012] Insbesondere ist bei der Umformung von einem Biegen oder einem Tiefziehen die Rede. In einem ersten Schritt wird eine ebene Form hergestellt. Durch die Reduktion der geometrischen Komplexität kann hierbei gezielt eine Einlegekomponente positioniert werden. Der allfällige anfallende Verschnitt bei Verwendung von beispielsweise Fasermatten kann verfahrensbedingt gut minimiert werden und liegt als trockene Faser vor. Diese trockenen Fasern können beispielsweise zu Vliesen weiterverarbeitet und somit zu hochwertigen Produkten recycelt werden. Der Randbeschnitt in der Ebene ist ein wesentlich einfacherer. Die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Lagen ist möglich. Rationelle Verfahren wie beispielsweise Stanzen können vergleichsweise einfach durchgeführt werden. Das Herausziehen einzelner Fasern im Randbereich (Ausfransen) kann ebenfalls besser vermieden werden. Ein passgenauer und nicht ausgefranster Rand ist essentiell für reduziertes Racetracking (das Voreilen der reaktiven Komponenten beim Benetzen der Einlegekomponente) in der Form, und zur Vermeidung von Dichtungs- und Formbeschädigungen durch wegstehende Fasern. Die Form kann auch als Mehrkavitätenform oder Karussellform ausgebildet sein. Damit kann die Produktivität einer Anlage stark gesteigert werden. Auch ein lastpfadgerechter Aufbau, gezielt eingebrachte Dickenunterschiede und eine für den Nachfolgeprozess optimale Außenkontur sind leicht auszuführen. Durch den Reaktivprozess mithilfe eines polymeren Vorproduktes eines Aktivators und eines Katalysators ist eine bessere Imprägnierung der Fasern möglich. Durch die Polymerisation in der Form können sehr lange und damit schlagzähe Molekülketten gebildet werden. Mithilfe eines möglichen Lageaufbaus kann neben der lastpfadgerechten Gestaltung auch eine optimale Drapierbarkeit hergestellt werden.

[0013] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Verbund nach der Polymerisation eine weitgehend ebene Gestalt aufweist. Unter einer weitgehend ebenen Gestalt wird jede ebene, gekrümmte, geknickte, wellige, konkave oder konvexe Form verstanden, in die das einzelne Verstärkungsmaterial oder der Aufbau aus mehreren Lagen aus Verstärkungsmaterialen, auch aus Geweben, Gelegen, Vliesen und anderen flächigen Erzeugnissen, abgelegt werden kann, ohne dass es zu nennenswerten Aufwerfungen oder Faltenbildungen kommt. Zudem kann die weitgehend ebene Gestalt des Verbundes gleitende oder stufige Übergänge aufweisen, die von gezielt eingebrachten Dickenunterschieden herrühren.

[0014] Beim Umformprozess von konventionellen Organoblechen kann es speziell bei höheren Umformgraden zur Faserverschiebung bzw. zur Faltenbildung kommen. Durch die gezielte Gestaltung des Verbundes mit ebener Form kann dies im Aufbau (im weitestgehend ebenen Preform) bereits berücksichtigt werden. Beispielsweise kann im Bereich von einem Knick in der Bauteilkontur der Fasergehalt im Bereich mit dem höchsten Umformgrad oder der Anteil der Fasern, die normal zur Umbugrichtung orientiert sind, reduziert werden. Alternativ wird anstelle eines Gewebes lokal nur ein Vlies eingesetzt. Generell kann bei der Herstellung des textilen Preforms gezielt die Drapierbarkeit und/oder der Faservolumengehalt lokal an den Umformgrad des nachfolgenden Umformprozesses angepasst werden.

[0015] Bei RTM-Bauteilen („Resin Transfer Molding“) werden häufig trockene Stellen, sogenannte „dry spots“, die beim Zusammentreffen von Fließfronten in Folge der Lufteinschlüsse entstehen, durch nachträglich ins Werkzeug eingebrachte Fließhilfen, Überlaufkavitäten, Druck oder Modifikation der Verfahrensparameter verändert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise durch einen Streifen aus unidirektionalem Material (UD - Material) die höhere Fließfähigkeit in Faserrichtung als Fließhilfe zur Lenkung der zugebrachten Komponenten, welche polymerisieren, herangezogen werden. Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Verarbeitungsanlage können somit trockene Stellen, sogenannte „dry spots“, die beim Zusammentreffen von Fließfronten in Folge der Lufteinschlüsse entstehen, gezielt beeinflusst werden und in unkritisch Bereiche verschoben oder ganz vermieden werden.

[0016] Bevorzugt ist vorgesehen, dass als polymeres Vorprodukt ε-Caprolactam und/oder Laurinlactam oder zyklisches Butylenterephthalat verwendet werden.

[0017] Mit ε-Caprolactam wird ein thermoplastisches Kunststoffteil mit einer Matrix aus Polyamid 6 hergestellt. Als Aktivator kann dabei ein aliphatisches Polyisocyanat oder ein blockiertes Diisocyanat verwendet werden. Als Katalysator können bei der Herstellung von Polyamid Me-talllactamate aus Natrium, Kalium oder Brommagnesium verwendet werden. Bevorzugt wird Natriumcaprolactamat verwendet.

[0018] Mit Laurinlactam als polymeres Vorprodukt wird ein thermoplastisches Kunststoffteil mit Matrix aus Polyamid 12 hergestellt. Als Katalysatoren können dabei Natriumlactamat, Alkalilau-rinlactamate oder Natriumcaprolactamat verwendet werden. Mögliche Aktivatoren bei der Herstellung von Polyamid sind Carbodiimide, N-Acyl-Laurinlactamen, blockierte oder nicht blockierte Isocyanate. Des Weiteren kann Laurinlactam copolymerisiert werden mit ε-Caprolactam, Styrol und ε-Caprolacton.

[0019] Zyklisches Butylenterephthalat dient als Ausgangskunststoff bzw. polymeres Vorprodukt für ein Kunststoffteil aus Polybutylenterephthalat (PBT). Mit einem Katalysator/Aktivator und bei entsprechender Temperatur erfolgt dann die Polymerisation. Als Katalysator kann beispielsweise das Zinn-basierte BuSnCI(OH)2 verwendet werden.

[0020] Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Verbund nach der Polymerisation und vor dem Ümformverfahren aus der Form entnommen oder in der Form umgesetzt oder in eine weitere Form versetzt wird.

[0021] Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Umformverfahren nach Erwärmung des weitgehend ebenen Verbundes auf eine Umformtemperatur, vorzugsweise zwischen 150°C und 320°C durchgeführt wird. Die Erwärmung des ebenen Verbundes kann beispielsweise durch einen Umluft- oder Infrarotofen durchgeführt werden. Durch Versuche wurde festgestellt, dass die

Umformbarkeit des ebenen Verbundes in einem Temperaturbereich von 150° C bis 320° C verbessert durchführbar ist, im Hinblick auf eine Verformbarkeit und eine dennoch vorliegende Formstabilität. Besonders bevorzugt kann eine Umformtemperatur von 200° C bis 300° C vorgesehen sein.

[0022] Es kann auch vorgesehen sein, dass als Einlegekomponente, welche in die Form eingebracht wird, ein Faserwerkstoff, vorzugsweise ein textiles Flächengebilde oder Faserwerkstoffe aus Glas-, Basalt-, Carbon-, Aramid-, Zellulosefasern, oder aus polymeren Fasern wie beispielsweise PA6- oder PA6.6-Fasern, verwendet wird.

[0023] Es kann vorgesehen sein, dass als Einlegekomponente, welche in die Form eingebracht wird, ein Sensor und/oder ein Metalleinsatz und/oder eine Metallbuchse und/oder ein UD-Material und/oder ein Element zur Umformhilfe verwendet wird. Durch die im Vergleich zum Spritzguss niedrigen Drücke bei der Ausbildung eines Verbundes kann eine große Palette an Sensoren verwendet werden. Auch Sensoren wie beispielsweise RFID-Chips (radio-frequency identification chips) können ihre Anwendung finden. Ebenso können Befestigungselemente wie z.B. Metallbuchsen mit Verankerungsplatten eingebracht werden. Diese Metallbuchsen können einerseits Funktionselemente des Bauteiles sein oder andererseits auch zum Zentrieren des Halbzeuges in der Form oder in einem weiteren Prozess benutzt werden. Auch die verschmutzungsfreie und erleichterte Handhabung des Halbzeuges ist durch solche Befestigungselemente möglich. Buchsen sind im Gegensatz zum heißen Organoblech bei Umformtemperaturen nicht klebrig und verschmutzen daher den Greifer nicht. Die Einbringung von Umformhilfen kann von großem Vorteil sein, wenn der ebene Verbund in weiterer Folge stark umgeformt wird. So kann bei einem nachfolgenden Biegeprozess schon in den ebenen Verbund eine Umformhilfe eingebracht werden, beispielhaft können hier dicke Polymerfolien eingebracht werden, welche im ebenen Verbund vom Kunststoff ummantelt werden, sodass dieser Bereich ohne Faltenbildung gebogen werden können. Es können auch lokale Verdickungen, an Stellen an denen der ebene Verbund in späterer Folge tiefgezogen wird, vorgesehen sein. Dadurch kann gezielt der Wandstärkenreduktion in Regionen mit hohem Umformgrad entgegengewirkt werden. Beispielsweise ist denkbar, dass im Bereich eines Umbugs verstärkt UD-Material in Richtung parallel zum Knick angeordnet wird. Darüber hinaus kann das Halbzeug an dieser Stelle gezielt aufgedoppelt und der Fasergehalt reduziert werden, sodass die lokale Bauteildicke in stark umgeformten Bereichen zu keiner Schwächung führt und der Umformvorgang nicht durch hohe Faservolumengehalte übermäßig behindert wird. Als UD-Materialien werden Materialien bezeichnet mit einer überwiegenden bzw. ausschließlichen Faserausrichtung in eine Richtung (UD = unidirektional).

[0024] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Einlegekomponente mit lokalen Aufdoppelungen angeordnet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass an lokalen Stellen ein Aufbau aus mehreren Schichten vorgesehen ist. So kann beispielsweise an einer Stelle eine textile Einlegekomponente doppelt ausgeführt sein, und wenn erforderlich dazwischen noch ein Sensor angebracht werden.

[0025] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zum Zubringen der verflüssigten Komponenten in der Form eine Fließhilfe vorgesehen wird. Als sogenannte Fließhilfen können Vertiefungen in der Form vorgesehen sein, welche eine schnellere Ausbreitung der Komponenten gewährleisten, die in späterer Folge zu Kunststoff polymerisieren, indem sie einen höheren Massendurchfluss erlauben. Alternativ können Fließhilfen auch im textilen Halbzeug integriert werden. Diese können beispielweise durch Streifen mit hoher Permeabilität durch UD-Ausrichtung, Geweben mit dicken Rovings oder niedrigem Faservolumengehalt realisiert werden. Dadurch sind auch optisch Oberflächen ohne störende Erhebungen durch Fließhilfen realisierbar.

[0026] Es kann vorgesehen sein, dass eine lokale Reduktion der Wandstärke und/oder des Faservolumengehalts der wenigstens einen Einlegekomponente und/oder eine lokale Erhöhung der Wandstärke und/oder des Faservolumengehalts vorgesehen wird. Durch die lokale Reduktion der wenigstens einen Einlegekomponente (beispielsweise des Faservolumengehaltes) oder eine lokale Wandstärkeverdickung, kann beispielsweise durch einen höheren Anteil an Matrix- material ein möglicher nachfolgender Schweißprozess erheblich erleichtert werden.

[0027] Es kann auch eine gezielte Reduktion der Permeabilität vorgesehen sein, um beispielsweise im Bereich von Vakuumbausteinen die Gefahr einer Betriebsstörung durch Schmelzeeintritt in den Vakuumbaustein vermindern.

[0028] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach der Einbringung der Einlegekomponente, des Aktivators, des Katalysators und des Vorproduktes in die Form eine Druckkraft auf diese ausgeübt wird und/oder ein Prägehub vorgenommen wird. Ein sogenanntes Prägen (aufbringen einer Druckkraft auf die Materialien in der Form) kann vorteilhaft eingesetzt werden, um einen höheren Fasergehalt und/oder eine geringere Porosität zu erzielen. Bei einer beispielhaften Verwendung einer oberen Formhälfte und einer unteren Formhälfte, wobei die Einlegekomponente in der unteren Formhälfte positioniert ist, kann bei der Verwendung einer nachfolgenden Prägung ein größerer Spalt zwischen den Formhälften beim Einbringen der verflüssigten Mischungen ermöglicht werden. Dieser größere Spalt ermöglicht eine bessere Infiltration dünnerer Bauteile oder weiter vom Injektionsort entfernten Bereiche. Durch das anschließende Prägen erfolgt noch eine weitere rasche Infiltration in Dickenrichtung. Außerdem können höhere Faservolumengehalte und geringere Porositäten erzielt werden. Bei einer horizontalen Ausführung, insbesondere einer Ausführung in einer Spritzgießmaschine mit horizontaler Schließrichtung, wäre unter der unteren Formhälfte eine feststehende Formhälfte und unter der oberen Formhälfte eine schließende Formhälfte zu verstehen.

[0029] Von praktischer Bedeutung hinsichtlich Betriebssicherheit ist der Zeitpunkt des maximalen Forminnendrucks. Bei konventioneller Betriebsweise ist der Forminnendruck am Ende des Injektionsvorgangs am höchsten. Bis zu diesem Zeitpunkt bleiben in der Regel die Düsen der Injektionseinheit geöffnet.

[0030] Schließt sich dem Injektionsvorgang ein Prägevorgang an, können die Düsen der Injektionseinheit bereits bei einem geringeren Druckniveau geschlossen werden und der maximale Forminnendruck entsteht während Reduktion des Kavitätsvolumens. Dies reduziert das Risiko des sogenannten „Querschäumens“, einem Vorgang, bei dem die verflüssigten und vermischten Komponenten bei der Einbringung in die Leitungen der Einzelkomponenten zurückgedrückt wird und dort die Fließkanäle durch ausreagiertes Material verlegen. Durch das Prägen können auch trotz niedrigeren Einbringdrücken der flüssigen Komponenten hohe Forminnendrücke realisiert werden. Vorteilhaft kann das Prägen auch bei Gesamtanlagen eingesetzt werden, bei dem eine Injektionseinheit mehrere Formen mit flüssigen Komponenten versorgt. Der raschere Einbringvorgang und der geringere Druckbedarf bei der Einbringung sind hier besonders vorteilhaft.

[0031] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der hergestellte Verbund nach der Umformung durch ein Umformverfahren in einem weiteren Schritt mithilfe eines Spritzgießverfahren zumindest teilweise mit einem Kunststoff umspritzt wird.

[0032] Außerdem wird Schutz für eine Formgebungsanlage nach Anspruch 13 begehrt. Eine derartige Formgebungsanlage umfasst eine Einrichtung zur Herstellung einer flüssigen Mischung aus einem polymerem Vorprodukt, einem Aktivator und einem Katalysator, eine Form, in der die, in der Einrichtung zum Herstellen einer flüssigen Mischung, vermischten Inhalte gemeinsam einbringbar und polymerisierbar sind, eine Umformeinheit zum Umformen des polymerisierten Verbundes mit einer ersten Form und eine Steuer- oder Regeleinheit mit einem Datenspeicher, wobei im Datenspeicher Befehle für Verfahrensschritte zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens hinterlegt sind. Es kann in den Mischeinrichtungen des Weiteren eine Aufschmelzeinheit vorgesehen sein, insofern die Ausgangskomponenten (Vorprodukt, Aktivator und Katalysator) zumindest teilweise als festes Material vorliegen.

[0033] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Herstellung einer flüssigen Mischung eine erste Einrichtung zum Herstellen einer flüssigen Mischung des polymeren Vorprodukts und dem Aktivator und eine zweite Einrichtung zur Herstellen einer flüssigen Mischung des polymeren Vorprodukts mit dem Katalysator aufweist. Des Weiteren ist es aber auch durchaus denkbar, dass die Mischungen eines polymeren Vorproduktes mit einem Katalysator und eines polymeren Vorproduktes mit einem Aktivator bereits als Ausgangsmaterial vorliegen und in den Einrichtungen zur Herstellung einer flüssigen Mischung lediglich noch eine Aufschmelzung vorgenommen wird. Auch die Nutzung einer Mischkammer um die beiden flüssigen Mischungen miteinander zu vermischen bevor sie in die Form eingebracht werden ist vorstellbar. Die Einbringung in die Form kann durch eine Injektionseinheit erfolgen, über welche vorzugsweise ein erhöhter Druck aufbaubar ist.

[0034] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigt: [0035] Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm der Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Verfahren; [0036] Fig. 2 ein ebenes Halbzeug, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist; [0037] Fig. 3 eine Darstellung eines ebenen Verbundes vor der Umformung; [0038] Fig. 4 eine Darstellung eines ebenen Verbundes vor der Umformung; [0039] Fig. 5 eine Darstellung eines ebenen Verbundes vor der Umformung; [0040] Fig. 6 eine Darstellung eines ebenen Verbundes vor der Umformung; [0041] Fig. 7 eine Darstellung eines ebenen Verbundes vor der Umformung, und [0042] Fig. 8 eine Darstellung eines schematischen Legeprozesses.

[0043] Fig. 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm der Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei ist ersichtlich, wie im Stand der Technik zunächst eine nicht ebene Form (3D-Preform, Anordnung der Einlegekomponenten vor der Zuführung des Matrix-Materials) hergestellt wird. Diese Herstellung eines 3D-Preforms ist jedoch sehr aufwendig, da die einzelnen Komponenten (insofern mehrere vorgesehen sind) in ihrer jeweiligen Position anzuordnen sind. Auch ist der Zuschnitt für eine 3D-Form komplex, da dieser so ausgestaltet werden muss, dass der Preform ohne Faltenbildung eingelegt werden kann. Auch eine Fransenbildung gilt es zu vermeiden, was bei einem dreidimensionalen Preform relativ schwer zu bewerkstelligen ist. Auch die Automatisierung zur Herstellung eines solchen 3D-Preform ist aufwendig und kostenintensiv. Nachdem der 3D-Preform erstellt ist, wird durch das In-situ-Verfahren der 3D-Preform mit einem Polymer-Vorprodukt, einem Aktivator und einem Katalysator in Verbindung gebracht, welche anschließend polymerisieren und in Verbindung mit wenigstens einer Einlegekomponente zu einem Verbund polymerisieren. Das polymere Vorprodukt, der Aktivator und der Katalysator polymerisieren dabei zu einem Kunststoff. Nach der Polymerisation kann das 3D-Faser-Verbundbauteil entnommen werden und anschließend durch ein Verfahren gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. In Fig. 1 ist hierbei beispielsweise eine Funktionalisierung durch einen Spritzguss angeführt.

[0044] Nach dem Ausführungsbeispiel nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie in Fig. 1 dargestellt, wird zuerst ein weitgehend ebener 2D-Preform hergestellt. Ein 2D-Preform ist wesentlich leichter und schneller herzustellen im Hinblick darauf, dass die Einlegekomponenten leichter zu positionieren sind und beispielsweise Komponenten, wie Fasermaterialien, eben eingelegt werden können und der dreidimensionale Umformungsschritt des textilen Halbzeuges entfällt. Auch eine Automatisierung der Herstellung eines 2D-Preform ist wesentlich einfacher und kostengünstiger durchzuführen. Nach Herstellung dieses 2D-Preform wird, wie auch im Stand der Technik, der Preform einem In-situ-Verfahren zugeführt, bei der ein polymeres Vorprodukt, ein Aktivator und ein Katalysator zugeführt werden und anschließend durch Polymerisation einen Kunststoff bilden, welcher in Verbindung mit der wenigstens einen Einlegekomponente einen weitgehend ebenen Verbund 1 bildet. Der ebene Verbund 1 wird anschließend durch ein Umformverfahren weiter verarbeitet. Für das Aufheizen des ebenen Verbundes 1 nach dem In-situ-Verfahren und vor dem Umformen wird der im In-Situ-Verfahren hergestellte

Verbund vorzugsweise mit Infrarot-Heizstrahlern erwärmt. Die ebene Gestalt des Verbundes erleichtert das Aufheizen mit Hilfe eines IR-Ofens. Ein solches Aufheizen kann jedoch auch mittels eines Umluftofens durchgeführt werden. Auch andere Möglichkeiten zum Aufheizen wie beispielsweise Kontakterwärmung eines ebenen Verbundes 1 sind durchaus denkbar. Es kann vorgesehen sein, dass das Umformverfahren durch einen Biegeprozess oder einen Tiefziehprozess ausgeführt wird, bei denen der ebene Verbund 1 in eine abweichende Form versetzt wird. So können verschiedenste 3D-Verbundbauteile durch das Umformverfahren gestaltet werden. Nachfolgend zum Umform-Verfahren kann das 3D-Verbundbauteil optional weiterverarbeitet werden, wie in Fig. 1 beispielsweise durch die Funktionalisierung durch Spritzguss gezeigt. Die strichlierten Abschnitte, die in Fig. 1 gezeigt sind, sind rein optional angeführt und nicht zwingend erforderlich. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren, wie in Fig. 1 gezeigt, mehr Verfahrensschritte umfasst als das durch den Stand der Technik dargestellte, ist durch ein erfindungsgemäßes Verfahren eine wesentlich leichtere Herstellung eines Verbundes möglich, wodurch Kosten gespart werden können.

[0045] Fig. 2 zeigt ein ebenes Halbzeug, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. So ist, wie ersichtlich, eine Faserverbundkunststoffplatte - ein sogenanntes Organoblech - durch einen Zuschnitt in Form gebracht worden. Die Faserorientierung, wie in Fig. 2 dargestellt, ist einheitlich. Eine solche einheitliche Faserorientierung lässt es nur zu, die Eigenschaften eines späteren Bauteiles, in eine Richtung beziehungsweise zwei orthogonale Richtungen zu verbessern. Denn es ist nicht ohne weiteres möglich, die Faserorientierung lokal an einer Stelle umzuorientieren, um einer spezifischen Bauteilanforderung Rechnung zu tragen.

[0046] Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen ebenen Verbundes 1 vor der Umformung. Dabei ist im ebenen Verbund 1 ein Faserwerkstoff 2 über das gesamte Bauteil ausgeführt. Des Weiteren ist das Bauteil durch UD-Materialien 3 verstärkt. Als UD-Materialien werden Materialien bezeichnet mit einer überwiegenden bzw. ausschließlichen Faserausrichtung in eine Richtung (UD = unidirektional).

[0047] Fig. 4 zeigt eine weitere Darstellung eines ebenen Verbundes 1. Wie bereits in Fig. 3 beschrieben, ist auch hier das Bauteil durch einen Faserwerkstoff 2 und ein UD-Material 3 verstärkt. Des Weiteren wurde hier als Einlegekomponente ein Lasteinleitungselement 4 dem Preform zugeführt. Dieses Lasteinleitungselement 4 ist hier beispielsweise als Metallbuchse ausgeführt. Metallbuchsen können einerseits Funktionselemente des Bauteiles sein oder andererseits auch zum Zentrieren des Halbzeuges in der Form, zur Aufnahme mittel Greifern oder in einem weiteren Prozess benutzt werden. Auch die weitgehend verschmutzungsfreie Handhabung des Halbzeuges ist durch solche Bauteile möglich. Bei dem gemäß dem Stand der Technik üblichen Greifen der heißen Organobleche mittels Vakuumsaugern oder Nadelgreifern kann es auf Grund der Klebrigkeit bei Umformtemperatur zu Ablagerungen auf den Greifern und optischen Beeinträchtigungen im Bereich der Kontaktfläche am Bauteil kommen.

[0048] Fig. 5 zeigt eine weitere Darstellung eines ebenen Verbundes 1. Wie bereits in Fig. 3 beschrieben, wird das Bauteil hierbei durch einen Faserwerkstoff 2 und ein UD-Material 3 verstärkt. Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform ein Vliesmaterial 5 vorgesehen. In Fig. 5 ist ebenfalls die Verwendung eines Sensors 6 als Einlegeteil gezeigt. Hierbei kann der Sensor 6 als Beispiel als RFID-Chip (radio frequency identification chip) ausgeführt sein. Ein solcher kann in weiterer Folge im Einsatzgebiet des hergestellten Bauteiles zur Überwachung beziehungsweise zur Identifizierung dienen.

[0049] Fig. 6 zeigt eine weitere Darstellung eines ebenen Verbundes 1. Dieses Bauteil umfasst die Einlegematerialien, wie schon in Fig. 5 beschrieben. Des Weiteren ist hier noch eine Fließhilfe 7 vorgesehen. Durch eine solche Fließhilfe 7 kann die Zufuhr des polymeren Vorprodukts mit Aktivator und des Katalysator besser gesteuert werden. Als sogenannte Fließhilfen 7 können Zonen mit höherer Permeabilität vorgesehen sein, welche eine schnellere Ausbreitung der Komponenten gewährleistet, die in späterer Folge zu Kunststoff polymerisieren, indem sie einen höheren Massendurchfluss erlauben. Ebenfalls ist in dieser Figur eine lokale Aufdoppelung des Faserwerkstoffes 2 ersichtlich. Somit können in lokalen Gebieten eines ebenen Verbundes 1 größere Mengen an Faserwerkstoff 2 eingebracht werden und/oder die Bauteileigenschaften in eine weitere Orientierungsrichtung verbessert werden, indem der Faserwerkstoff 2 in eine weitere Orientierungsrichtung mit seiner Faserorientierung ausgerichtet wird.

[0050] Fig. 7 zeigt einen weiteren ebenen Verbund 1. Es sind wieder die Bauteile, wie in den vorhergehenden Figuren beschrieben, ersichtlich. Des Weiteren ist eine Umformhilfe 8 zu erkennen, welche die anschließende Umformung des ebenen Verbundes 1 in einem Umformprozess erleichtert.

[0051] In Fig. 8 ist ein schematischer Legeprozess ersichtlich. Hierbei wird beispielhaft durch einen Knickarmroboter 9 aus einem der Magazine 11 eine Einlegekomponente 12 entnommen und gezielt in eine ebene Form 10 positioniert. Aufgrund der ebenen Form 10 können die zugeschnittenen Einlegekomponenten 12 einfach und genau positioniert werden. Diese Einlegekomponenten 10 können durch den Knickarmroboter 9 individuell in der ebenen Form 10 zu Schichten aufgebaut werden oder nur an bestimmten Teilarealen des herzustellenden Produktes positioniert werden. Durch ein solches Verfahren wird die Möglichkeit geschaffen, dass die Einlegekomponenten 10 bereits im Vorfeld konturgerecht zugeschnitten und gelagert werden können. Die Herstellung des Lageaufbaus kann auch direkt in der Form erfolgen. Vorzugsweise wird der Lagenaufbau jedoch in einer separaten Form bzw. auf einem Legetisch hergestellt und anschließend in die Form eingebracht. Auch das Zusammensetzen einzelner Subpreforms in der Form ist ebenfalls denkbar. BEZUGSZEICHEN: 1 ebener Verbund 2 Faserwerkstoff 3 UD-Material 4 Lasteinleitungselement 5 Vliesmaterial 6 Sensor 7 Fließhilfe 8 Umformhilfe 9 Knickarmroboter 10 ebene Form 11 Magazin 12 Einlegekomponente

Claims (14)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes, insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbun-des, wobei das Verfahren das Zusammenführen eines polymeren Vorprodukts, eines Aktivators, eines Katalysators und wenigstens einer weiteren Einlegekomponente beinhaltet, • wobei in einem ersten Schritt die wenigstens eine Einlegekomponente in eine Form eingebracht wird, • wobei in einem weiteren Schritt eine flüssige Mischung aus einem polymerem Vorprodukt, einem Aktivator und einem Katalysator hergestellt und in die Form eingebracht wird und in der Form zu Kunststoff polymerisiert und • wobei durch die Polymerisation ein Verbund mit der wenigstens einen Einlegekomponente gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund nach der Polymerisation eine erste Form aufweist und dass dieser Verbund mit der ersten Form nach der Polymerisation durch ein Umformverfahren in eine von der ersten Form abweichende zweite Form verformt wird.
2. 2. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund nach der Polymerisation eine erste Form aufweist, wobei als erste Form eine weitgehend ebene Form verwendet wird.
3. 3. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als polymeres Vorprodukt ε-Caprolactam und/oder Laurinlactam oder zyklisches Butylenterephthalat verwendet werden.
4. 4. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund nach der Polymerisation und vor dem Umformverfahren aus der Form entnommen oder in der Form umgesetzt oder in eine weitere Form versetzt wird.
5. 5. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformverfahren nach Erwärmung des weitgehend ebenen Verbundes auf eine Umformtemperatur, vorzugsweise zwischen 150°C und 320°C, durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlegekomponente, welche in die Form eingebracht wird, ein Faserwerkstoff, vorzugsweise ein textiles Flächengebilde, verwendet wird.
7. 7. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlegekomponente, welche in die Form eingebracht wird, ein Sensor und/oder ein Metalleinsatz und/oder eine Metallbuchse und/oder ein UD-Material und/oder ein Element zur Umformhilfe verwendet wird.
8. 8. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einlegekomponente mit lokalen Aufdoppelungen angeordnet wird.
9. 9. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zubringen der verflüssigten Komponenten in der Form eine Fließhilfe vorgesehen wird.
10. 10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lokale Reduktionen der Wandstärke und/oder des Faservolumengehalts der wenigstens einen Einlegekomponente und/oder eine lokale Erhöhung der Wandstärke und/oder des Faservolumengehalts vorgesehen wird.
11. 11. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Einbringung der Einlegekomponente und des polymeren Vorproduktes mit Aktivator und des polymeren Vorproduktes mit Katalysators in die Form eine Druckkraft auf diese ausgeübt wird und/oder ein Prägehub vorgenommen wird.
12. 12. Verfahren zum Herstellen eines Verbundes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hergestellte Verbund nach der Umformung durch ein Umformverfahren in einem weiteren Schritt mit Hilfe eines Spritzgießverfahren zumindest teilweise mit einem Kunststoff umspritzt wird.
13. 13. Formgebungsanlage mit einer Formgebungsmaschine zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch • eine Einrichtung zur Herstellung einer flüssigen Mischung aus einem polymerem Vorprodukt, einem Aktivator und einem Katalysator, • eine Form, in die die in der Einrichtungen zum Herstellen einer flüssigen Mischung vermischten Inhalte gemeinsam einbringbar und polymerisierbar sind, • eine Umformeinheit zum Umformen, insbesondere zum Biegen und/oder Tiefziehen, des polymerisierten Verbundes mit einer ersten Form und • eine Steuer- oder Regeleinheit mit einem Datenspeicher, wobei im Datenspeicher Befehle für Verfahrensschritte zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hinterlegt sind.
14. 14. Formgebungsanlage mit einer Formgebungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Herstellung einer flüssigen Mischung • eine erste Einrichtung zum Herstellen einer flüssigen Mischung des polymeren Vorprodukts und dem Aktivator und • eine zweite Einrichtung zur Herstellen einer flüssigen Mischung des polymeren Vorprodukts mit dem Katalysator aufweist. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen