AT517696A4 - Faserverstärkter Kunststoffkörper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Kunststoffkörper, umfassend einen Schichtaufbau aus zumindest zwei Kunststoffschichten (6) aus sintergepresstem Kunststoff und zumindest einer zwischenliegenden Faserschichten (2), wobei die Fasern innerhalb einer Faserschicht (2) zumindest unidirektional ausgerichtet sind und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Be s ehre ibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffkörpern insbesondere Platten, welche aus sich abwechselnden Schichten von Kunststofflagen und Fasermatten bestehen.

Gemäß dem Stand der Technik sind faserverstärkte Kunststoffe bekannt, bei welchen die Verstärkungsfasern als Einzelfasern in den Kunststoff als Füllstoff eingemischt sind. Die Verstärkungsfasern liegen in Form von Kurz- oder Langfasern mit zufälliger Ausrichtung vor. Diese in Folge als fasergefüllten Kunststoffe bezeichneten faserverstärkten Kunststoffe haben den Nachteil, dass diese, ebenso wie Kunststoffe ohne Faseranteil, eine für manche Anwendungen nachteilig hohe thermische Ausdehnung aufweisen und eine vergleichsweise geringe Biegefestigkeit. Nachteilig ist zudem, dass das Gewicht eines faserverstärkten Kunststoffs mit steigendem Faseranteil zunimmt, wobei der Faseranteil bei fasergefüllten Kunststoffen üblicherweise hoch ist, zumeist zwischen 20 und 50 Gew.% beträgt.

Gemäß dem Stand der Technik sind zudem faserverstärkte Kunststoffe bekannt, bei welchen die Verstärkungsfasern in definierter Ausrichtung vorliegen, wobei in der Regel eine oder mehrere Faserschichten mit definierter Ausrichtung der Fasern, beispielsweise als Gewebe, innerhalb einer KunststoffSchicht vorgesehen sind. Durch die definierte Ausrichtung der Fasern kann die thermische Ausdehnung richtungsabhängig gesenkt und die Biegefestigkeit erhöht werden.

Gemäß dem Stand der Technik ist die Herstellung von faserverstärkten Platten aus abwechselnd Kunststoff- und Faserschichten bekannt, konkret: die Herstellung einer Verbundplatte aus mehreren Lagen Prepregs, mit dem Nachteil, dass die Faserschichten sehr dicht aneinander liegen, bzw. der Abstand zwischen den Fasermatten nicht beliebig wählbar ist, die Herstellung einer faserkaschierten Verbundplatte bei welchen eine Trägerplatte ein oder beidseitig mit einem oder mehreren Prepregs und ggf. zusätzlichen sehr dünnen Kunststofffolien laminiert wird, wobei die aus leichtem wenig stabilen Material ausgeführte Trägerplatte, meist in Form eines Hohlkammerbauteils mit Wabenstruktur, mit den Prepregs verpresst wird, mit dem Nachteil, dass die Prepregschicht auf die äußeren beiden Schichten der Verbundplatte beschränkt sind und die einzelnen Prepregschichten dicht aneinander liegen, die Herstellung von Gusskörpern mit einer außenliegenden Prepreg- bzw. faserverstärkten Schicht, durch Einlegen des Prepregs oder einer Fasermatte am Boden der Gussform, mit dem Nachteil, dass die faserverstärkte Schicht auf den Oberflächenbereich des Körpers bzw. der Platte begrenzt ist, die Herstellung von Formkörpern durch Einlegen eines Stapels von Fasermatten in eine Gussform und Einspritzen von Kunststoff, mit dem Nachteil, dass die Fasermatten nahe aneinander liegen, bzw. der Abstand zwischen den Fasermatten nicht frei wählbar ist.

Alle beschriebenen Verfahren bzw. die aus diesen hergestellten Verbundkörper haben gemeinsam, dass die Faserschichten der Prepregschichtungen sehr dicht aneinander liegen, wodurch diese typischerweise einen Faservolumenanteil von zumindest 40% aufweisen und dadurch ein relativ hohes Gewicht von zumeist größer 1,3 kg/dm3.

Prepreg ist die englische Kurzform für „preimpregnated fibres", zu Deutsch: „vorimprägnierte Fasern". Prepregs sind mit Reaktionsharzen vorimprägnierte textile Halbzeuge, die zur Herstellung von Bauteilen unter Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Die Reaktionsharze bestehen aus einer meist hochviskosen, jedoch noch nicht polymerisierten duroplastischen Kunststoffmatrix. Die enthaltenen Fasern können als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg liegen als flexibles Bahnmaterial vor und können beispielsweise zum Transport auf Rollen gewickelt werden. Ein Prepreg im Sinne dieser Schrift ist eine mit Kunststoff imprägnierte Fasermatte, wobei die Fasermatte unidirektionale Fasern, bidirektionale Faser, multidirektionale Faser und/oder verwobene Fasern aufweisen kann. Als Fasertypen kommen alle gängigen Verstärkungsfasern in Frage, in der Praxis werden aber hauptsächlich Glasfasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern (Karbonfasern) oder Aramidfasern zu Prepreg verarbeitet. Prepregs liegen typischerweise mit einer Schichtdicke von ca. 0,05 mm bis 0,4 mm vor.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, faserverstärkte Körper insbesondere Platten bereit zu stellen, welche in großer Dicke herstellbar sind und dabei eine geringe Wärmeausdehnung und gute mechanische Eigenschaften bei einem geringen Faseranteil aufweisen. Für das Lösen der Aufgabe wird eine Verbundplatte vorgeschlagen, welche zumindest zwei dicke Kunststoffschichten aufweist, wobei zumindest eine dieser Kunststoffschichten als außenliegende Deckschicht vorliegt und die Kunststoffschichten jeweils durch eine Prepreg- oder Faserschicht getrennt sind. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundplatte wird vorgeschlagen abwechselnd Kunststoffschichten, vorzugsweise mit einer Dicke von je zumindest 1 mm und Prepreg- oder Faserschichten in die Form einer Sinterpresse einzulegen und zu pressen.

Bevorzugt werden zumindest zwei Kunststoffschichten gebildet indem Kunststoffplatten mit einer zwischenliegenden Faserschicht in die Form eingelegt werden, wobei jede Kunststoffplatte eine Dicke von zumindest 1 mm aufweist, vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 und 5 mm. Eine Kunststoff Schicht kann auch aus mehreren Kunststoffplatten gebildet werden.

Bevorzugt weist zumindest eine KunststoffSchicht ein Dicke von über 1 mm auf, insbesondere zumindest 1,2 mm, besonders bevorzugt zumindest 2 mm, insbesondere zumindest 5 mm. Bevorzugt weisen zumindest zwei eine Faserschicht einschließende Kunststoff schichten je eine Dicke von über 1 mm auf, insbesondere zumindest 1,2 mm, besonders bevorzugt zumindest 2 mm, insbesondere zumindest 5 mm.

Neu und vorteilhaft an der gegenständlichen Erfindung ist, dass der Körper bzw. die Platte in einem Arbeitsschritt mit einer Sinterpresse hergestellt wird. Dabei können die Schichten des Kunststoffs in nahezu beliebiger Schichtdicke je Lage eingebracht werden. Durch die gegenständliche Erfindung sind Verbundplatten mit einer Dicke von wenigen mm bis hin zu einer Dicke von 200 mm herstellbar. Die Verbundplatten weisen dabei eine vorteilhaft geringe Wärmeausdehnung auf, bei einer geringen Dichte von vorzugsweise unter l,lkg/dm3 und einem geringen Faseranteil von vorzugsweise unter 35 Gew.%, besonders bevorzugt unter 10 Gew.%. Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit langer Zeitdauer des Pressvorgangs lassen sich besonders vorteilhafte Verbundkörper hersteilen, da diese trotz großer Dicke kaum Eigenspannungen aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, den Körper bzw. die Platte durch Sinterpressen herzustellen, indem vor dem Sintervorgang sich abwechselnde Schichten aus Kunststoff und Fasermatten oder Prepregs in der Sinterform platziert werden, wobei der Kunststoff vorzugsweise aller Kunststoffschichten in Plattenform vorliegt. Bevorzugt werden dabei als Verstärkungsmaterial vorbeschichtete Fasermatten (Prepregs) verwendet, da so ein guter Verbund zwischen den Kunststoff- und Fasermattenschichten gebildet wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, den Körper bzw. die Platte durch Sinterpressen herzustellen, indem vor dem Sintervorgang sich abwechselnde Schichten aus Kunststoff und Fasermatten oder Prepregs in der Sinterform platziert werden, wobei der Kunststoff zumindest einer, vorzugsweise aller Kunststoffschichten in Pulverform vorliegt. Bevorzugt werden dabei als Verstärkungsmaterial Fasermatten und nicht vorbeschichtete Fasermatten (Prepregs) verwendet, da das Kunststoffpulver beim Sinterpressen vorteilhaft in die Fasermatten eindringen kann und so ein besonders guter Verbund zwischen den Kunststoff- und Fasermattenschichten gebildet wird. Zudem sind Fasermatten günstiger als Prepregs, da der Verfahrensschritt des Imprägnierens entfällt. Vorteilhaft ist, dass die Pulverschichten in nahezu jeder beliebigen Dicke vorgesehen sein können, sowie die Fasermatten mit beliebigem Abstand zueinander und in jeder beliebigen Tiefe im Material vorgesehen sein können.

In einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass sich die Fasermatten nicht durchgehend über eine Schicht erstrecken, beispielsweise können schmale Bahnen von Prepregs oder Fasermatten in Form von Faserbändern (Faser-tapes) in beliebiger Ausrichtung auf einer Pulverschicht oder einer Kunststoffplatte platziert werden. Die Bänder können dabei aneinander anschließend, überlappend oder sich kreuzend die gesamte Schicht abdecken, oder in einzelnen zueinander beabstandeten Bahnen oder sich kreuzenden Bahnen vorliegen, sodass zwischen den Faserbahnen freie Stellen verbleiben an den die Kunststoffschichten direkt aneinander anliegen. Vorteilhaft daran ist, dass die Eigenschaften des Körpers bzw. der Platte sehr gezielt gestaltet werden können, beispielsweise mit hoher Zug- oder Biegefestigkeit in eine Richtung und niedriger Zugoder Biegefestigkeit in eine zweite Richtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt zur Herstellung von Verschleißplatten eingesetzt, da durch das erfindungsgemäße Verfahren die von der Verschleißseite der Platte her gesehen erste Faserschicht einen nahezu beliebig großen Abstand zur Verschleißfläche aufweisen kann. Die Verschleißplatte zeichnet sich aus durch eine kostengünstige Produktion, einen geringe thermische Ausdehnung, welche ca. 1/10 bis 1/3 herkömmlicher Verschleißplatten aus Kunststoff beträgt und eine hohe Biegefestigkeit, welche abhängig vom Aufbau der Verbundplatte beispielsweise das 36-fache der Biegefestigkeit von herkömmlichen Verschleißplatten aus Kunststoff oder fasergefülltem Kunststoff betragen kann.

Vorteilhaft an der gegenständlichen Erfindung ist zudem, dass durch Sinterpressen hochverschleißfeste Kunststoffe verarbeitbar sind. Besonders bevorzugt wird als Kunststoff HDPE hochmolekulares Polyethylen (PE-HMW), besonders bevorzugt PE 500 verwendet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnten faserverstärkte Verschleißteile aus PE 500 hergestellt werden, welche eine richtungsabhängige geringe Wärmeausdehnung haben, von unter 100 * 10~6K_1' insbesondere unter 50 * 10~6K_1. Bei unverstärktem PE 500 wurde mit 117 * 10~6K_1 ein deutlich höherer Wert gemessen.

Als Fasern eignen sich gängige Verstärkungsfasern insbesondere Glasfasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern (Karbonfasern) oder Aramidfasern.

Als Prepregs werden bevorzugt Fasermatten verwendet, welche mit HDPE (englisch: high density polyethylene), insbesondere PE-HMW imprägniert sind.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht:

Fig. 1: zeigt den Querschnitt einer beispielhaften, besonders bevorzugten Kunststoffplatte die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Fig. 2: zeigt schematisch verschiedene Möglichkeiten zur

Anordnung der Fasermatten in einer beispielhaften Kunststoffplatte in Ansicht von der Seite und von oben mit Teilschnitten in mehreren Ebenen.

Fig. 3: zeigt schematisch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes

Verfahren anhand sieben seitlicher Schnittansichten einer Sinterform jeweils nach Durchführung eines von sieben beispielhaften Verfahrensschritten von oben nach unten.

Fig. 4: zeigt schematisch den Aufbau einer beispielhaften, besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Kunststoffplatte.

Einleitend zur Figurenbeschreibung sei festgehalten, dass die Figuren im Sinne eine schematische Verdeutlichung der Erfindung zu sehen sind, wobei alle Abmessungen rein beispielhaft und nicht maßstabsgetreu sind, insbesondere sind die Schichtdicken, speziell der Faserschichten, zur besseren Erkennbarkeit überproportional groß dargestellt.

In Fig 1. ist beispielhaft eine bevorzugte erfindungsgemäße Verschleißplatte aus Kunststoff dargestellt, welche beidseitig eine Deckschicht 1 aus Kunststoff aufweist, vier im Kunststoff eingeschlossene Faserschichten 2 und drei Zwischenschichten 3 aus Kunststoff.

Die Deckschichten 1 weisen bevorzugt eine Dicke von mindestens 1 mm bevorzugt mindestens 2 mm auf, um je nach Einsatzgebiet eine ausreichend dicke Verschleißschicht zu bilden. Die Deckschichten können auch unterschiedlich dick ausgeführt werden, je nachdem ob die Verschleißplatte beidseitig zu verwenden ist, oder nur einseitig durch Verschleiß beansprucht ist. Die Faserschichten 2 weisen typischerweise eine Dicke von ca. 0,05 mm bis 0,4 mm auf, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm. Die Zwischenschichten 2 weisen erfindungsgemäß zumindest eine Dicke von 1 mm auf, um den Faseranteil vorteilhaft gering zu halten.

Wie im Beispiel dargestellt weist die erfindungsgemäße Verschleißplatte von oben nach unten gesehen eine erste Deckschicht 1 mit 2 mm Schichtstärke auf, darunter eine Faserschicht 2, gefolgt von einer Zwischenschicht 3 mit 2 mm Schichtstärke, gefolgt von einer Faserschicht 2, gefolgt von einer Zwischenschicht 3 mit 5-10 mm Schichtstärke, gefolgt von einer Faserschicht 2, gefolgt von einer Zwischenschicht 3 mit 2 mm Schichtstärke, gefolgt von einer Faserschicht 2, gefolgt von einer zweiten Deckschicht 1 mit 2 mm Schichtstärke.

Die Faserschichten 2 bestehen bevorzugt aus unidirektionalen Fasermatten oder Faserbändern (Faser-Tapes), wobei diese vorteilhaft zur Bildung von Prepregs mit Kunststoff imprägniert sein können, wobei alle Fasern beispielsweise in Längsrichtung der Platte ausgerichtet sind, um eine geringe thermische Ausdehnung und hohe Zug- und Biegefestigkeit der Platte in ihrer Längsrichtung zu erreichen.

In Fig. 2 sind schematisch weitere beispielhafte Ausgestaltungen der Faserschichten 2 gezeigt. Die unterste Faserschicht 2 ist als unidirektionale Fasermatte dargestellt, welche dieselbe Größe wie die Verschleißplatte aufweist, wobei alle Fasern der unidirektionalen Fasermatte in eine Richtung verlaufen, beispielsweise parallel zur Längsrichtung der Verschleißplatte. Die darüberliegende Faserschicht 2 ist als eine bidirektionale, gewobene Fasermatte schematisch dargestellt, wobei diese derart ausgerichtet ist, dass ein Teil der Fasern parallel zur Längsrichtung der Verschleißplatte ausgerichtet ist und der andere Teil der Fasern parallel zur Breitseite der Verschleißplatte. Die Fasern einer uni- oder bidirektionalen Fasermatte können jedoch auch schräg zur Längs- und Breitseite der Verschleißplatte ausgerichtet sein. Insbesondere können die Fasermatten unterschiedlicher Faserschichten unterschiedlich ausgerichtete Fasern aufweisen. Eine Fasermatte kann also Fasern mit einer, zwei oder auch mehr als zwei unterschiedlichen Ausrichtungen aufweisen, beispielsweise in vier Richtungen, welche jeweils einen Winkel von 45° zueinander aufweisen.

Die oberste in Fig. 2 dargestellte Faserschicht 2 ist durch mehrere Faserbänder 4 gebildet, wobei jedes dieser Faserbänder 4 eine geringere Ausdehnung als die Verschleißplatte aufweist. Die Faserbänder 4 weisen beispielsweise jeweils eine unidirektionale Faserausrichtung in Längsrichtung des Faserbandes 4 auf, die Faserbänder 4 können auch als Gewebe vorliegen. Beispielsweise ist eine erste Gruppe von Faserbändern 4 in Längsrichtung der Verschleißplatte ausgerichtet, wobei diese, in Richtung der Breite der Verschleißplatte gesehen, zueinander beabstandet sind. Zudem kann beispielsweise eine zweite Gruppe von Faserbändern 4 in Richtung der Breite der Verschleißplatte ausgerichtet sein, wobei diese, in Richtung der Länge der Verschleißplatte gesehen, zueinander beabstandet sind. Die

Zwischenräume zwischen den Faserbändern 4 sind durch Kunststoff gefüllt, sodass die beiden Schichten, welche die Faserschicht 2 einschließen, über die Zwischenräume verbunden sind. Die beiden eine Faserschicht 2 einschließenden Kunststoffschichten sind jedenfalls auch dadurch verbunden, dass Kunststoff beim Sintervorgang in bzw. teilweise auch durch die Zwischenräume zwischen den Fasern der Fasermatten bzw. Faserbänder 4 gedrückt wird, wodurch ein fester Verbund der Kunststoff- und Faserschichten erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 3 beispielhaft veranschaulicht. Ausgehend von einer leeren Sinterform 5, welche im einfachsten Falle zur Herstellung einer Platte eine Quaderform aufweist, wird im ersten Schritt eine KunststoffSchicht 6 in die Sinterform 5 in Form einer Platte oder einer Pulverschicht eingebracht. Im Fall einer Pulverschicht kann diese geglättet oder mit einer speziellen Oberflächenkontur versehen werden, und optional etwas komprimiert werden, um eine kompaktere Schicht mit weniger Lufteinschluss zu erhalten. Das Komprimieren der Pulverschicht kann durch Senken des Pressstempels 7 erfolgen, ohne dabei das Pulver bereits zu Sintern, der Pressvorgang wird also mit weniger Druck und/oder niedrigerer Temperatur ausgeführt als beim Sintervorgang.

Im zweiten Schritt wird eine Faserschicht 2 auf die KunststoffSchicht 6 aufgelegt, beispielsweise in Form zumindest eines Prepregs, einer Fasermatte oder eines Faserbandes.

Im dritten Schritt wird eine weitere KunststoffSchicht 6 über der Faserschicht 2 aufgebracht, im Fall einer Pulverschicht optional gefolgt von einem Glätt- und/oder Komprimiervorgang.

Im vierten Schritt wird eine weitere Faserschicht 2 auf die weitere KunststoffSchicht 6 aufgelegt, beispielsweise in Form zumindest eines Prepregs, einer Fasermatte oder eines Faserbandes.

Der dritte und vierte Schritt können entfallen, wenn nur eine Faserschicht 2 vorgesehen ist, oder beliebig oft wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl von Faserschichten 2 und Zwischenschichten 3 erreicht ist.

Im fünften Schritt wird eine letzte KunststoffSchicht 6 über der Faserschicht 2 aufgebracht.

Im sechsten Schritt wird der Pressstempel 7 in die Sinterform 5 abgesenkt und die Schichtung aus Kunststoffschichten 6 und Faserschichten 2 mit Druck und Temperatur beaufschlagt um den Kunststoff zu sintern. Die geeigneten Parameter für den Pressvorgang sind vom verwendeten Material und von der Dicke der Schichtung abhängig und lassen sich am besten durch Versuch ermitteln, durch dem Fachmann bekannte Methoden.

Nach abgeschlossenem Sintervorgang wird der Presstempel 7 aus der Sinterform 5 bewegt und der fertige faserverstärkte Kunststoffkörper, beispielsweise in Form einer Platte kann aus der Sinterform 5 entnommen werden.

Erfindungsgemäß können als Faserschichten Fasermatten bzw. Faserbahnen, Faserbänder oder vorgefertigte Prepregs in Form von bereits mit Kunststoff imprägnierten Geweben oder Gelegen Verwendung finden. Der Kunststoff der KunststoffSchicht 6 und der Kunststoff des Prepregs bilden beim Sintervorgang einen Verbund, was meist der Fall ist, falls Kunststoff der KunststoffSchicht 6 und der Kunststoff des Prepregs dieselben Reaktionsharze, bzw. Polymere aufweisen.

Als weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wäre es denkbar die erfindungsgemäße Schichtung aus Kunststoffschichten 6 und Faserschichten 2 auf einen bereits bestehenden Körper oder eine bestehende Oberfläche aufzusintern, beispielsweise indem Seitenwände zur Ausbildung einer Sinterform auf der Oberfläche platziert werden.

Als weitere erfindungsgemäße Variante ist es denkbar zusätzlich zu den Kunststoff schichten 6 in Form von Platten oder Pulverschichten und den Faserschichten 2 weitere Schichten oder sonstige Bauteile beispielsweise Folien, Platten, Formkörper, Profile, Hohlprofile, Rohre, Leiterbahnen, Drähte, Glasfasern oder RFID-Tags (Transponder) in die Sinterform einzulegen und beim Sintervorgang in den Kunststoffkörper zu integrieren oder an dessen Oberfläche zu verankern. Nehmen diese zusätzlichen zu integrierenden Teile nur einen Teilbereich einer Schicht des Verbundmaterials ein, wie beispielsweise im Fall eines RFID-Tags oder bei elektrischen oder optischen Leitern, können diese besonders vorteilhaft in die Sinterform 5 eingelegt bzw. auf den darin bereits befindlichen Schichtverbund aufgelegt werden und die Niveauunterschiede durch eine KunststoffSchicht 6 in Form einer Pulverschicht ausgeglichen werden.

Die in den Schichtverbund integrierten elektrischen Leiter können insbesondere vorteilhaft genutzt werden, um Temperaturänderungen im Schichtverbund zu messen, beispielsweise ist dies besonders wertvoll wenn dieser als Verschleißplatte vorliegt, da die Temperatur der Verschleißplatte durch steigende Reibung an deren Verschleißfläche erhöht wird. Wenn die elektrischen Leiter in der Verschleißschicht bzw. Deckschicht 1 integriert sind, können diese auch zur Messung des Verschleißes herangezogen werden, wenn mehrere Leiter in unterschiedlicher Tiefe der Verschleißschicht integriert sind und der Bruch des Leiters registriert wird, wobei der Leiter bricht wenn er durch Verschleiß der Deckschicht 1 an deren Oberfläche tritt und selbst zunehmend verschleißt.

Als Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich durch einen Sintervorgang mehrere Platten herzustellen, oder eine Platte mit komplexer Umfangsgeometrie, beispielsweise indem in einer großflächigen Sinterform 5 eine große Platte hergestellt wird, welche nachfolgend zurechtgeschnitten bzw. in kleinere Platten geschnitten wird. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass durch die späteren Schnittlinien keine Faserlagen verlaufen, indem die Faserschichten 2 auf jene Teilbereiche der Kunststoffschichten beschränkt aufgelegt werden, die vollständig auf dem späteren Zuschnitt einer Platte liegen.

Erfindungsgemäß können die Faserschichten 2 auch an jenen Stellen Freistellen aufweisen, an welchen in einem späteren Arbeitsschritt eine spanende Bearbeitung, beispielsweise eine Bohrung, vorgenommen wird. Fasern können bei weiteren Bearbeitungsschritten (wie beispielsweise Bohren, Fräsen oder Schneiden) besonders störend sein, hauptsächlich wegen der starken Abnutzung der Schneidgeometrie.

Die Beschränkung der Faserschichten 2 auf einen Teilbereich ist möglich, da die Dicke der Kunststoffschichten 6 im Vergleich zu der Dicke der Faserschichten sehr hoch gewählt ist, wodurch die Niveauunterschiede in der Faserschicht durch das Material der angrenzenden Kunststoffschichten 6 gefüllt werden, ohne dass es zu einer merklichen Reduktion der Dicke der Kunststoffschichten 6 kommt. Bevorzugt beträgt die Gesamtdicke aller Kunststoffschichten 6 zumindest das Dreifache insbesondere zumindest das Zehnfache der Gesamtdicke aller Faserschichten 2. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke einer KunststoffSchicht 6 zumindest das 3-fache insbesondere zumindest das 10-fache der Dicke einer an diese angrenzenden Faserschicht 2.

Die genannten Beispiele verdeutlichen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, da das erfindungsgemäße Produkt sehr flexibel auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.

Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Produkt ist, dass der Faseranteil vergleichsweise niedrig ausfällt, da die sehr dünnen Faserschichten 2 durch vergleichsweise dicke Kunststoffschichten 6 getrennt vorliegen, zudem können die Faserschichten 2 auf jenen Bereich des Produkts beschränkt werden, in welchem diese benötigt werden. Dadurch können kostengünstig faserverstärkte Kunststoffkörper, insbesondere in Plattenform hergestellt werden.

Es sei klargestellt, dass die Kunststoffplatte zur Bildung einer KunststoffSchicht 6 kein starrer Körper sein muss. Abhängig von der Dicke und vom Material der Kunststoffplatte kann diese auch flexibel sein, wodurch auch die Bezeichnung Kunststofffolie zutreffend ist. Zur erfindungsgemäßen Herstellung von Verbundkörper insbesondere Verschleißplatten werden die Kunststoffschichten 6 bevorzugt tatsächlich aus Platten und nicht aus Folien gebildet. Die Kunststoffplatten weisen also bevorzugt eine Dicke auf, bei welcher diese je nach verwendetem Kunststoff als formstabiler Körper vorliegen und nicht als flexible Folie.

Bevorzugt umfasst der Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Kunststoffkörpers zwei außenliegende Deckschichten 1, wobei sich zwischen diesen Deckschichten 1 eine Anzahl x von Faserschichten 2 befindet, und eine Anzahl y von Zwischenschichten 3, welche um eins geringer ist als die Anzahl x der Faserschichten 2, wobei x zumindest 4 beträgt, insbesondere zumindest 6 und x maximal 50 insbesondere max. 20 beträgt.

In Fig. 4 ist eine weitere besonders bevorzugte Kunststoffplatte dargestellt, diese weist sieben Kunststoffschichten 6 und sechs unidirektionale Faserschichten 2 auf, wobei die Fasern der Faserschichten 2 in Reihenfolge von oben nach unten eine Ausrichtung von 0°; +60°; -60°; -60°; +60°; 0° in Bezug auf die Längsrichtung der Platte aufweisen. Durch diese Anordnung und Ausrichtung der Faserschichten lässt sich die thermische Ausdehnung der jeweiligen Ebene besonders gut reduzieren. Dadurch ergibt sich bezogen auf den Bauteil eine quasi-isotrope Wärmeausdehnung.

Als Faserschichten 2 kommen beispielsweise Prepregs zum Einsatz, diese sind im Fall von Carbonfaserprepregs beispielsweise je 0,1 mm dick, im Fall von Glasfaserprepregs beispielsweise 0,27 mm dick, die Kunststof f schichten 6 sind zumindest je 1 mm dick, bevorzugt maximal 10 mm dick. Die Schichtdicke der gesamten Faserschichten beträgt also 0,6 mm im Fall von Carbonfaserprepregs und 1,62 mm im Fall von Glasfaserprepregs, die Schichtdicke der gesamten Kunststoffschichten 6 beträgt zumindest 7 mm, bevorzugt maximal 70 mm. Der Faservolumenanteil eines Prepregs beträgt maximal ca. 60 bis 70%. Im Fall von Glasfaserprepregs die jeweils eine gesamte Schicht der

Verbundplatte abdecken, also das Volumen V jeder Schicht gleich der Schichtdicke mal der Plattenfläche APiatte ist und einer Kunststoff schichtdicke von je 1 mm berechnet sich der Faservolumenanteil φ näherungsweise zu

Bei einer durchschnittlichen Schichtdicke der Kunststoffschichten 6 von je 2 mm würde der Faservolumenanteil nur noch ca. 7 % betragen.

Im Fall von Carbonfaserprepregs die jeweils eine gesamte Schicht der Verbundplatte abdecken und einer Kunststoffschichtdicke von je 1 mm berechnet sich der Faservolumenanteil φ näherungsweise zu

Bei einer durchschnittlichen Schichtdicke der Kunststoffschichten 6 von je 2 mm würde der Faservolumenanteil nur noch ca. 2,7 % betragen.

Durch diesen beispielhaften bevorzugten Schichtaufbau, kann bei einem geringen Faservolumenanteil von unter 20% insbesondere unter 15 %, bevorzugt unter 10 % und besonders bevorzugt unter 6 % die Wärmeausdehnung der Kunststoffplatte richtungsabhängig sehr effektiv begrenzt werden.

Claims (20)

1. Ansprüche

   1. Faserverstärkter Kunststoffkörper umfassend einen Schichtaufbau aus zumindest zwei Kunststoffschichten (6) und zumindest einer zwischenliegenden Faserschicht (2), wobei die Fasern innerhalb der Faserschicht (2) unidirektional, bidirektional oder multidirektional ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kunststoff schichten (6) eine Schichtstärke von über 1 mm aufweisen.
2. 2. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau zumindest zwei Faserschichten (2) umfasst, wobei die Faserschichten (2) jeweils durch eine KunststoffSchicht (6) in Form einer Zwischenschicht (3) getrennt sind, welche eine Schichtstärke von über 1 mm aufweist.
3. 3. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau Kunststoffschichten (6) in Form von zwei außenliegende Deckschichten (1) aufweist, wobei sich zwischen diesen Deckschichten (1) eine Anzahl von Faserschichten (2) befindet, und eine Anzahl von Zwischenschichten (3) , welche um eins geringer ist als die Anzahl der Faserschichten (2).
4. 4. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Faserschicht (2) zumindest eine Fasermatte oder ein Faserband aufweist, wobei ein Fasermatte oder ein Faserband ein Gewebe oder Gelege einer Vielzahl von Einzelfasern ist.
5. 5. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermatte oder mehrere Fasermatten oder mehrere Faserbänder die gesamte Schichtfläche der Faserschicht (2) abdecken.
6. 6. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fasermatte oder das Faserband oder mehrere Fasermatten oder mehrere Faserbänder nur über einen Teilbereich der Schichtfläche der Faserschicht (2) erstrecken.
7. 7. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoffkörper in Form einer Platte vorliegt und zumindest eine KunststoffSchicht (6) als außenliegende Deckschicht (1) mit einer Schichtstärke von über 1 mm aufweist, die aus verschleißbeständigem Kunststoff, bevorzugt PE-HMW besteht.
8. 8. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoffkörper zwei als Deckschicht (1) ausgeführten Kunststoffschichten (6), und zumindest vier Faserschichten (2) aufweist, die jeweils durch eine als Zwischenschicht (3) ausgeführte KunststoffSchicht (6) getrennt sind.
9. 9. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kunststoffschichten (6) zumindest 2 mm dick, insbesondere zumindest 5 mm ist.
10. 10. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil in eine der Kunststoff schichten (6) integriert ist, oder eine KunststoffSchicht (6) auf die Oberfläche zumindest eines Bauteils aufgesintert ist, wobei das zumindest eine Bauteil ausgewählt ist aus einer Platte oder Folie, einem Formkörper, Profil, Hohlprofil oder Rohr, einem elektrischen oder optischen Leiter, einer Leiterbahn oder einem RFID-Tag.
11. 11. Faserverstärkter Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil des faserverstärkter Kunststoffkörpers maximal 15 %, insbesondere maximal 10 % beträgt.
12. 12. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffkörpers umfassend einen Schichtaufbau aus zumindest zwei Kunststoffschichten und zumindest einer zwischenliegenden Faserschichten (2), wobei die Fasern innerhalb der Faserschicht (2) unidirektional, bidirektional oder multidirektional ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt auf den Boden der Sinterform (5) einer Sinterpresse, oder auf zumindest ein sich in der Sinterpresse befindliches Bauteil, zuerst eine KunststoffSchicht (6) platziert wird, im zweiten Schritt auf der KunststoffSchicht (6) eine Faserschicht (2) platziert wird, im dritten Schritt die Faserschicht (2) durch eine weitere KunststoffSchicht (6) abgedeckt wird, im letzten Schritt der Schichtaufbau sintergepresst wird, wobei die Kunststoff schichten (6) in Form von je zumindest einer Kunststoffplatte, zumindest einer Kunststofffolie oder als Kunststoffpulver in die Sinterform (5) eingebracht werden, wobei die Kunststoffplatte oder Kunststofffolie zumindest eine Dicke von 1 mm aufweist.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach zumindest einem dritten Schritt der zweite Schritt und der dritte Schritt erneut ausgeführt werden, bevorzugt werden der zweite und dritte Schritt jeweils zumindest viermal ausgeführt.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Schritt ein Bauteil in die Sinterform (5) eingelegt wird, oder Seitenwände zur Bildung einer Sinterform (5) auf der Oberfläche eines Bauteils aufgesetzt werden.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer KunststoffSchicht (6) aus Kunststoffpulver zumindest ein Bauteil platziert wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Bauteil ausgewählt ist aus einer Platte oder Folie, einem Formkörper, Profil, Hohlprofil oder Rohr, einem elektrischen oder optischen Leiter, einer Leiterbahn oder einem RFID-Tag.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Faserschicht (2) in Form einer oder mehrerer Fasermatten oder Faserbänder in die Sinterform (5) eingelegt oder auf eine KunststoffSchicht (6) aufgelegt wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Faserschicht (2) in Form eines oder mehrerer Prepregs in die Sinterform (5) eingelegt oder auf eine KunststoffSchicht (6) aufgelegt wird.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jede KunststoffSchicht (6) mit einer Dicke von zumindest 1,2 mm in die Sinterform (5) eingebracht wird und jede Faserschicht (2) mit einer Dicke von maximal 0,4 mm in die Kunststoffform eingebracht wird.
20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für jede KunststoffSchicht (6) dasselbe Kunststoffmaterial verwendet wird, bevorzugt hochmolekulares Polyethylen.