DE102005008252A1 - Faserverbund-Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelements - Google Patents
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Abstract
Ein Faserverbund-Bauelement mit wenigstens aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (1, 2) mit jeweils einer Faserstruktur (3, 4) und die Faserstruktur (3, 4) jeweils einbettenden verschiedenen Matrixsystemen, die aus einem flüssigen Zustand unterschiedlich aushärten, lässt sich mit einer erhöhten Verbindungsstabilität der beiden Teilelemente (1, 2) dadurch herstellen, dass zunächst das Matrixsystem des ersten Teilelements (1) verflüssigt wird und dabei unregelmäßig in den Bereich des angrenzenden zweiten Teilelements (2) eindringt, dass anschließend das Matrixsystem des zweiten Teilelements (2) verflüssigt wird und dass die Matrixsysteme ausgehärtet werden. Durch die Ausbildung der unregelmäßigen Grenzflächen kommt es zu einer Verzahnung bzw. Verhakung der Matrixsysteme zueinander, wodurch eine Grenzfläche (5) mit einer erhöhten Scherfestigkeit erzeugt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauelements mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen mit jeweils einer Faserstruktur und die Faserstruktur jeweils einbettenden verschiedenen Matrixsystemen, die aus einem flüssigen Zustand unterschiedlich aushärten.
- Die Erfindung betrifft ferner ein Faserverbund-Bauelement mit wenigstens aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen mit jeweils einer Faserstruktur und die Faserstruktur jeweils einbettenden, unterschiedlich ausgehärteten Matrixsystemen.
- Es ist bekannt, Faserverbund-Bauelemente aus verschiedenen Teilelementen zusammenzusetzen, die unterschiedliche Faserstrukturen, insbesondere aber auch unterschiedliche Matrixsysteme aufweisen, um den unterschiedlichen Anforderungen an die Teilelemente gerecht zu werden. In herkömmlicher Technik werden die Teilelemente getrennt voneinander hergestellt und zu dem Bauelement mittels einer Kleb- und/oder Schraubverbindung zusammengefügt. Das Zusammenfügen der Teilelemente führt zu dem Nachteil, dass die Verbindung nur dann eine etwaig benötigte hohe Scherfestigkeit aufweist, wenn für die Verbindung ein hoher Aufwand getrieben wird, der das Gewicht des Faserverbund-Bauelements deutlich erhöht.
- Durch
DE 199 15 083 C1 undEP 1 400 341 A1 ist es bekannt, unterschiedliche Preforms, also Faserstruktur-Teilelemente zueinander anzuordnen und gemeinsam mit einem Bindemittel (Matrixsystem) zu durchtränken und – ggf. unter Vakuum – auszuhärten. Dabei werden für die Teilelemente jedoch ersichtlich gleiche Matrixsysteme verwendet. -
US 5,667,881 offenbart eine Verbindung zwischen einem thermoplastischen und einem duroplastischen Kunststoff, die dadurch hergestellt wird, dass an der Grenzfläche zwischen beiden Kunststoffen diese sich im flüssigen bzw. plastifizierten Zustand etwas vermischen können, um so miteinander eine Art Dispersion zu bilden. Ein derartiges Verfahren ist auf die Verwendung miteinander mischbarer Kunststoffe beschränkt und hat daher nur einen begrenzten Anwendungsbereich. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Faserverbund-Bauelements der eingangs erwähnten Art zu ermöglichen, das eine erhöhte Stabilität der Verbindung der Teilelemente aufweist, kostengünstig herstellbar ist und nicht auf bestimmte Kunststoffkombinationen beschränkt ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass zunächst das Matrixsystem des ersten Teilelements verflüssigt wird und dabei unregelmäßig in dem Bereich des angrenzenden zweiten Teilelements eindringt, dass anschließend das Matrixsystem des zweiten Teilelements verflüssigt wird und dass die Matrixsysteme ausgehärtet werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass das Matrixsystem des ersten Teilelements zunächst verflüssigt wird, während die Faserstruktur des zweiten Teilelements noch trocken ist, d. h. ein etwaig bereits vorhandenes Matrixsystem des zweiten Teilelements noch nicht verflüssigt ist oder die Faserstruktur des zweiten Teilelements noch gar nicht mit einem Matrixsystem versehen worden ist. Dadurch kann das Matrixsystem des ersten Teilelements in flüssiger Form in dem Bereich des zweiten Teilelements unregelmäßig eindringen, sodass beim anschließenden Verflüssigen des Matrixsystem des zweiten Teilelements (durch Erwärmen oder durch eine Injektion des flüssigen Bindemittels) eine unregelmäßige Grenzfläche zwischen den Matrixsystemen ausgebildet wird, durch die die ausgehärteten Matrixsysteme miteinander „verzahnt" oder „verhakt" sind. Auf diese Weise gelingt eine Verbindung zwischen den Teilelementen, die aufgrund der „Verzahnung" oder „Verhakung" der Matrixsysteme eine deutlich erhöhte Scherfesigkeit aufweist. Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Verzahnung oder Verhakung der Matrixsysteme ausschließlich im Bereich eines der Teilelemente stattfindet, wobei ein „Rückfluss" in das andere Teilelement vernachlässigbar ist und weniger als 2 %, vorzugsweise weniger als 1 % des die Verzahnung oder Verhakung in dem Teilelement bewirkenden Volumens ausmacht.
- Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Faserverbund-Bauelement der eingangs erwähnten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich das Matrixsystem des ersten Teilelements mit unregelmäßigen Grenzflächen in den Bereich des zweiten Teilelements erstreckt und sich das Matrixsystem des zweiten Teilelements innerhalb des zweiten Teilelements mit komplementären Grenzflächen an das Matrixsystem des ersten Teilelements anschließt.
- In einer alternativen Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Faserverbund-Bauelement der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass sich das Matrixsystem des ersten Teilelements mit unregelmäßigen Grenzflächen in den Bereich des zweiten Teilelements erstreckt und dort einen Mischbereich mit den unregelmäßigen Grenzflächen bildet und sich das Matrixsystem des zweiten Teilelements innerhalb des zweiten Teilelements mit komplementären Grenzflächen an den Mischbereich anschließt.
- Dementsprechend wird die eingangs erwähnte Aufgabe erfindungsgemäß ferner gelöst durch ein Faserverbund-Bauelement der eingangs erwähnten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Matrixstruktur des ersten Teilelements mit unregelmäßigen Grenzflächen in den Bereich des zweiten Teilelements erstreckt und sich die Matrixstruktur des zweiten Teilelements mit komplementären Grenzflächen an die Matrixstruktur des ersten Teilelements anschließt.
- In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Teilelemente ein Matrixsystem aus einem Duroplast und ein Matrixsystem aus einem Thermoplast auf. Dabei kann vorzugsweise der Thermoplast in der Faserstruktur des ersten Teilelements vorhanden sein, das somit als thermoplastisches Prepreg ausgebildet sein oder dessen Faserstruktur thermoplastische Fasern enthalten kann. Durch Aufheizen kann der Thermoplast verflüssigt werden und so in den Bereich des zweiten Teilelements eindringen, vorzugsweise in die Faserstruktur des zweiten Teilelements. Das duroplastische Bindemittel kann dann beispielsweiswe in die Faserstruktur des zweiten Teilelements injiziert werden. Dabei bildet sich eine unregelmäßige Grenzfläche zwischen den beiden flüssigen Bindemitteln aus, sodass die später ausgehärteten Matrixstrukturen mit einer unregelmäßigen Grenzfläche aneinander anliegen und teilweise ineinander eingedrungen sind.
- Das Aushärten erfolgt vorzugsweise durch eine entsprechende Temperaturführung, wobei beispielsweise das duroplastische Bindemittel durch eine Temperaturerhöhung – und ggf. durch einen Überdruck – zum Aushärten gebracht wird, während das thermoplastische Bindemittel anschließend beim Abkühlen aushärtet.
- In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann, beispielsweise an einem Prepreg, ein Duroplast vorhanden sein, der sich bei einer relativ niedrigen Temperatur (beispielsweise 80 °C) verflüssigt und in den Bereich eines angrenzenden Zwischenräume aufweisenden Thermoplast-Prepregs oder Thermoplast-Comminglinghybrids erstreckt. Bei weiterer Temperaturerhöhung verflüssigt sich der Thermoplast, sodass sich in dem Teilbereich des Thermoplasten ein Mischbereich ausbildet, in dem die Thermoplastfasern des Comminglinghybrids oder der Thermoplastanteil des Prepregs innerhalb des eingedrungenen Duroplasten verflüssigt werden und so bei der Aushärtung des Duroplasten thermoplastische Einschlüsse bilden. Wesentlich für die Erhöhung der Verbindungskraft ist dabei jedoch die räumliche Verzahnung der betreffenden Matrizes durch das in den zweiten Teilbereich unregelmäßig eingedrungene duroplastische Material. Der Mischbereich befindet sich ausschließlich im zweiten Teilbereich der Anordnung, wobei „ausschließlich" auch hier bedeutet, dass allenfalls ein geringfügiger Rückfluss an thermoplastischem Material in den ersten Teilbereich des Duroplasten erfolgt, der volumenmäßig weniger als 2 %, vorzugsweise weniger als 1 %, ausmacht.
- Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte zur Herstellung des Faserverbund-Bauelements bis zum Aushärten der Matrixsysteme in der einmal geschlossenen Form durchgeführt, woraus sich eine erhebliche Rationalisierung des Herstellungsverfahrens ergibt.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine benachbarte Anordnung von Faserstrukturen zweier benachbarter Teilelemente eines Faserverbundbauelements -
2 schematisch die Applikation von Temperatur und Druck auf die Anordnung gemäß1 zum Erschmelzen eines Thermoplastanteils in der Faserstruktur des ersten Teilelements -
3 schematisch das Eindringen von thermoplastischem Material des ersten Teilelements in das zweite Teilelement -
4 schematisch eine anschließende Injektion von duroplastischem Harz -
5 die Aushärtung des injizierten duroplastischen Harzes -
6 das ausgehärtete, gemäß dem Verfahren der1 bis5 hergestellte Bauelement -
7 ein Verfahrensschritt zur Herstellung eines Bauelements nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Ausbildung einer Mischzone -
8 das ausgehärtete Bauelement -
9 eine schematische verdeutlichende Darstellung des Bauelements gemäß8 . -
1 zeigt schematisch ein erstes Teilelement1 und ein zweites Teilelement2 eines herzustellenden Faserverbund-Bauelements. Das erste Teilelement1 weist eine Faserstruktur3 und das zweite Teilelement2 eine Faserstruktur4 auf, die in Form von aufeinander gelegten Gewebelagen schematisch dargestellt sind. Die beiden Teilelemente sind überlappend zueinander angeordnet und bilden somit eine gemeinsame Grenzfläche5 . - In dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Faserstruktur
3 des ersten Teilelements1 Thermoplastfasern (Commingling-Hybrid). -
2 zeigt schematisch durch einen die Anordnung umgebenden Abschluss6 , dass die Anordnung gemäß1 in eine Form eingelegt und nach außen hin abgeschlossen ist, sodass auf die Anordnung innerhalb der Form6 eine erhöhte Temperatur und ein modifizierter Druck (erhöhter Druck oder Unterdruck) ausgeübt werden kann. - Durch eine erhöhte Temperatur können die Thermoplastfasern in der im Übrigen durch Kohlefasern gebildeten Faserstruktur
3 des ersten Teilelements1 zum Schmelzen gebracht werden, sodass ein thermoplastisches flüssiges Bindemittel entsteht. Da die Faserstruktur4 des zweiten Teilelements2 als trockenes Kohlefaserhalbzeug ausgebildet ist, dringt das Bindemittel durch Kapilarwirkung und ggf. durch eine Überdruckwirkung innerhalb der Form6 in den Bereich des zweiten Teilelements2 , vorzugsweise in die Faserstruktur4 des zweiten Teilelements2 , unregelmäßig ein, wie dies in3 verdeutlicht ist. - Bei bereits verfestigtem Bindemittel des ersten Teilelements
1 wird gemäß4 nunmehr ein duroplastisches Bindemittel (beispielsweise Epoxidharz) in die Faserstruktur4 des zweiten Teilelements2 eingepresst, wie dies durch einen Pfeil schematisch verdeutlicht ist. Die beiden Bindemittel bilden somit eine unregelmäßige Grenzlinie7 zueinander, die aufgrund des in die Faserstruktur4 des zweiten Teilelements2 eingedrungenen Bindemittels nur im Bereich des zweiten Teilelements2 verläuft. - Durch eine weitere Temperaturerhöhung in der Anordnung gemäß
5 wird das injizierte duroplastische Bindemittel ausgehärtet. Durch ein anschließendes Abkühlen der Anordnung, vorzugsweise innerhalb der Form6 , wird auch das thermoplastische Bindemittel des ersten Teilelements1 ausgehärtet, sodass nach der Entnahme aus der Form6 ein in4 dargestelltes Faserverbund-Bauelement vorliegt, das an seiner Grenzfläche5 miteinander verzahnte Matrixsysteme der beiden Teilelemente1 ,2 aufweist und somit eine hohe Resistenz gegen in6 durch Pfeile schematisch angedeutete Scherbelastungen aufweist. - Bei dem in den
7 bis9 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste Teilelement1 eine Faserstruktur3 auf, die in Form eines Prepregs mit einem duroplastischen Kunststoff in einem Überschuss beschichtet ist, sodass beim Erhöhen der Temperatur in einer Form oder einem Autoklaven6 das duroplastische Material in dem Bereich des zweiten Teilelements2 unregelmäßig eindringt und die unregelmäßige Grenzlinie7 ausbildet. Die Faserstruktur4 des zweiten Teilelements kann beispielsweise mit thermoplastischen Fasern als Comminglinghybrid versetzt sein. Bei einer Erhöhung der Temperatur beginnt das duroplastische Material auszuhärten, während die thermoplastischen Fasern anfangen zu schmelzen. Dadurch bildet sich das thermoplastische Verbundmaterial in dem zweiten Teilelement aus. Nach dem Abkühlen und Aushärten des Bauelements hat sich im Bereich des zweiten Teilelements2 ein unregelmäßiger Mischbereich8 ausgebildet, der aus ausgehärtetem duroplastischem Material mit ebenfalls ausgehärteten thermoplastischen Einschlüssen besteht. Wiederum wird die Verbesserung der Stabilität der Grenzschicht5 zwischen den Teilelementen1 ,2 durch die mechanisch unregelmäßig ausgebildete Grenzlinie7 des Mischbereichs8 in dem zweiten Teilelement2 bewirkt. - Es versteht sich, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht schutzbeschränkend sein sollen. Im Rahmen der Erfindung können unterschiedliche Bindemittel in benachbarten Teilelementen
1 ,2 eingesetzt werden, die beide duroplastisch oder beide thermoplastisch sind. Ferner ist es nicht erforderlich, ein Comminglinghybrid zu verwenden, da in gleicher Weise Prepregs oder trockene Faserstrukturen verwendbar sind, in die das entsprechende Matrixmaterial injiziert wird. - Ferner ist es möglich, das Bindemittel des ersten Teilelements
1 nach der Verflüssigung bereits aushärten zu lassen, bevor das Bindemittel des zweiten Teilelements2 durch Verflüssigung oder Injektion aktiviert wird. In allen Fällen kann die erfindungsgemäße erwünschte mechanische Verzahnung der Matrixsysteme der beiden Teilelemente1 ,2 in dem zweiten Teilelement2 realisiert werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelements mit wenigstens aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (
1 ,2 ) mit jeweils einer Faserstruktur (3 ,4 ) und die Faserstruktur (3 ,4 ) jeweils einbettenden verschiedenen Matrixsystemen, die aus einem flüssigen Zustand unterschiedlich aushärten, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Matrixsystem des ersten Teilelements (1 ) verflüssigt wird und dabei unregelmäßig in den Bereich des angrenzenden zweiten Teilelements (2 ) eindringt, dass anschließend das Matrixsystem des zweiten Teilelements (2 ) verflüssigt wird und dass die Matrixsysteme ausgehärtet werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixstrukturen der Teilelemente (
1 ,2 ) ein Thermoplast und ein Duroplast verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (
4 ) des zweiten Teilelements (2 ) ohne Matrixsystem an dem ersten Teilelement (1 ) anliegt, wenn der Thermoplast durch Erwärmen verflüssigt wird, und dass anschließend der Duroplast in flüssiger Form in das zweite Teilelement (2 ) injiziert wird. - Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast in der Faserstruktur (
3 ) des Teilelements (1 ) enthalten ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstrukturen (
3 ,4 ) der Teilelemente (1 ,2 ) in eine Form (6 ) eingelegt werden und dass alle Verfahrensschritte bis zum Aushärten der Matrixsysteme in der einmal geschlossenen Form (6 ) durchgeführt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein duroplastisches Material des zugehörigen Teilelements bei einer ersten Temperatur in flüssiger Form verwendet wird und in das andere Teilelement (
1 ) eindringt, in dem ein Thermoplast bei höherer Temperatur als der ersten Temperatur verflüssigt wird. - Faserverbund-Bauelement mit wenigstens aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (
1 ,2 ) und jeweils einer Faserstruktur (3 ,4 ) und die Faserstruktur (3 ,4 ) jeweils einbettenden, unterschiedlich aushärtenden Matrixsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Matrixsystem des ersten Teilelements (1 ) mit unregelmäßigen Grenzflächen in den Bereich des zweiten Teilelements (2 ) erstreckt und sich das Matrixsystem des zweiten Teilelements (2 ) innerhalb des zweiten Teilelements (2 ) mit komplementären Grenzflächen an das Matrixsystem des ersten Teilelements (1 ) anschließt. - Faserverbund-Bauelement mit wenigstens aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (
1 ,2 ) und jeweils einer Faserstruktur (3 ,4 ) und die Faserstruktur (3 ,4 ) jeweils einbettenden, unterschiedlich aushärtenden Matrixsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Matrixsystem des ersten Teilelements (1 ) mit unregelmäßigen Grenzflächen in den Bereich des zweiten Teilelements (2 ) erstreckt und dort einen Mischbereich (8 ) mit den unregelmäßigen Grenzflächen bildet und sich das Matrixsystem des zweiten Teilelements (2 ) innerhalb des zweiten Teilelements (2 ) mit komplementären Grenzflächen an den Mischbereich (8 ) anschließt. - Faserverbund-Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixsysteme der Teilelemente (
1 ,2 ) durch einen Thermoplast und durch einen Duroplast gebildet sind.
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