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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges, sowie das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug selbst.
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Aus der OS 2 203798 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalandrieren von Folien oder Platten aus thermoplastischem Kunststoff bekannt. Dabei laufen die Folien oder Platten in Form eines Walzfelles über Kalanderwalzen, wobei sich vor einzelnen Walzenspalten eine Vorlage aus dem zu kalandrierenden Kunststoff bildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugs wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges wird mindestens ein Textileinleger bis auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt und in diesen eine Kunststoffschmelze in einem Kalandrierprozess eingebracht, wobei der Textileinleger nach dem Einbringen der Kunststoffschmelze konsolidiert und gekühlt wird. Einflussfaktoren auf die konkreten Verfahrensparameter der Konsolidierung und Kühlung sind hierbei beispielsweise die Schmelzviskosität des Kunststoffs, die Eindringtiefe der Schmelze in den Textileinleger oder die Permeabilität, d. h. Durchlässigkeit des Textileinlegers.
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Dadurch, dass die Kunststoffschmelze in einem Kalandrierprozess in den Textileinleger eingebracht wird, ist das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug vergleichsweise Kosten günstig herstellbar. Insbesondere ist die Herstellung weniger Energie intensiv. Gleichfalls findet durch den Kalandrierprozess in vorteilhafter Weise eine Imprägnierung der Fasern des Textileinlegers durch die eingebrachte Kunststoffschmelze statt, sowie eine Verdichtung des Halbzeugs infolge der Beseitigung gasförmiger Substanzen, insbesondere Lufteinschlüsse, im Textileinleger.
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Die Verwendung des Textileinlegers ermöglicht eine definierte Anordnung von Verstärkungsfasern in Längs- und/oder Querrichtung, wodurch Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges, wie z. B. eine Festigkeit, verbessert werden können. Die Verstärkungsfasern können dabei alternativ oder auch additiv metallischer oder nichtmetallischer Art sein.
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Das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug kann anschließend in besonders vorteilhafter Weise weiter verarbeitet werden, insbesondere mittels eines Spritzgießprozesses, wobei das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug flächig oder partiell ein- oder beidseitig umspritzt werden kann. Vorteilhaft dabei ist, dass eine verbesserte Verbindung zwischen der Spritzgießmasse aus Kunststoff und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug erreicht wird.
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Auf die zuvor beschriebene Art und Weise wird infolge der Herstellung mittels eines Kalandrierprozesses ein dünnes Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug gebildet, vorzugsweise ein dünnes Folienmaterial von maximal 1 mm Dicke.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 schematisch eine Spannvorrichtung,
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3 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4 schematisch eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges 2 in einer Seitenansicht dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Heizvorrichtung 1.1, eine nicht näher gezeigte Zuführung, beispielsweise eine Rohrleitung, einen Kalander 1.2 sowie eine Kühlvorrichtung 1.3.
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Die Heizvorrichtung 1.1 ist dazu vorgesehen, einen Textileinleger 3, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Kunststoffschmelze 4 versehen werden soll, auf eine vorgebbare Temperatur zu erwärmen.
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Bei dem Textileinleger 3 handelt es sich beispielsweise um ein trockenes Textil in Form eines Gewebes und/oder Geleges, um kerntief imprägnierte Faserbündel, -stränge und/oder Halbzeuge, um Hybridmaterialien und/oder um Metalihybridgewebe oder Mischgarne.
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Beispielsweise werden zur Verstärkung des Textileinlegers 3 Metallhybridgewebe und/oder einzelne Metalldrähte und/oder -litzen verwendet. Diese können bereits vor dem Erwärmen mit einem zu der Kunststoffschmelze 4 korrespondierenden Haftvermittler/Primer ummantelt und/oder beschichtet sein. Dadurch wird eine Verbundhaftung zwischen Metall und Kunststoff erhöht, insbesondere verbessert.
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Der Textileinleger 3 wird dem Kalander 1.2 zugeführt, wobei der Kalander 1.2 eine Anordnung von Walzen W1 bis W6 umfasst. Die Walzen W1 bis W6 sind insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet und in Bezug auf deren Längsausdehnung drehbar gelagert, wobei die Walzen W1 bis W6 parallel zueinander angeordnet sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst der Kalander 1.2 sechs Walzen W1 bis W6.
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Beispielsweise sind die Walzen W1 bis W6 aus einem Schalenhartguss und/oder Stahl gebildet.
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Dem Kalander 1.2, insbesondere einer vorgebbaren Anzahl von Walzen W1 bis W6, ist über die Zuführung eine Kunststoffschmelze 4 zuführbar.
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Die Kühlvorrichtung 1.3 dient dazu, das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug 2 insbesondere indirekt zu kühlen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Textileinleger 3 mittels der Heizvorrichtung 1.1, die beispielsweise ein Infrarot- und/oder Umluftofen ist, auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt. Alternativ oder additiv können hier jedoch auch einzelne oder mehrere Infrarotstrahler oder vergleichbare Heizstrahler zum Einsatz kommen.
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Wird als Textileinleger 3 ein trockenes Textil verwendet, wird dieses auf eine Temperatur, die unterhalb einer Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix liegt, erwärmt. Vorzugsweise auf eine Temperatur, welche unterhalb der Schädigungstemperatur der Faserschlichte des Textils liegt. Die Kunststoffmatrix wird erhitzt, wodurch die Kunststoffschmelze 4 zur Beschichtung des Textileinlegers 3 gebildet wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Extruders.
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Handelt es sich bei dem Textileinleger 3 z. B. um ein kerntief zu imprägnierendes Faserbündel, wird dieses etwas über die Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix erwärmt, damit die Kunststoffschmelze beim Imprägnieren nicht vorzeitig zu stark abkühlt.
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Nach dem Erwärmen wird der Textileinleger 3 einem ersten Spalt S1 zwischen einer ersten und einer zweiter Walze W1, W2 zugeführt, die übereinander angeordnet sind. Hierzu ist eine erste Führungswalze F1 angeordnet, wodurch der Textileinleger 3 an die zweite Walze W2 gedrückt wird. Die erste und die zweite Walze W1, W2 drehen sich gegenläufig zueinander, wodurch der Textileinleger 3 in den ersten Spalt S1 eingezogen wird.
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Einem zweiten Spalt S2, dem Spalt zwischen der ersten Walze W1 und einer dritten Walze W3 und einem dritten Spalt S3, dem Spalt zwischen der zweiten und einer vierten Walze W2, W4, wird über die Zuführung die Kunststoffschmelze 4 zugeführt. Dabei wird die Kunststoffschmelze 4 vorzugsweise über die Längsausdehnung der dritten und der vierten Walze W3, W4 auf diese aufgebracht, wobei diese bevorzugt beheizt sind.
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Beispielsweise wird als Kunststoff, aus dem die Kunststoffschmelze 4 gebildet wird, Polyamid verwendet.
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Die dritte Walze W3 dreht sich dabei entgegengesetzt der Richtung, in die sich die erste Walze W1 dreht, wobei sich die vierte Walze W4 entgegengesetzt der Drehbewegung der zweiten Walze W2 dreht.
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Die Kunststoffschmelze 4 wird durch die erste und die zweite Walze W1, W2, so genannte Anpresswalzen, in den Textileinleger 3 gedrückt, wodurch Luft, welche sich in dem Textileinleger 3 befindet, in vorteilhafter Weise aus diesem verdrängt wird.
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Der Textileinleger 3 durchläuft den ersten Spalt S1, in welchem die Kunststoffschmelze 4 in den Textileinleger 3 gedrückt wird und wird über eine zweite Führungswalze F2 einem vierten Spalt S4 zwischen einer fünften und einer sechsten Walze W5, W6 zugeführt.
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Mittels der fünften und der sechsten Walze W5, W6, die sich gegenläufig zueinander drehen, wird das aus dem Textileinleger 3 erzeugte Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug 2, im Weiteren als Halbzeug 2 bezeichnet, konsolidiert. Hierzu ist z. B. ein Abstand zwischen der fünften und der sechsten Walze W5, W6 und somit eine Höhe des vierten Spaltes S4 einstellbar. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die fünfte und die sechste Walze W5, W6 beheizbar sind, wodurch das Halbzeug 2 konsolidiert wird. Dabei weisen die fünfte und die sechste Walze W5, W6 eine entsprechende Geschwindigkeit auf, mit der das Halbzeug 2 konsolidiert wird.
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Alternativ zur Konsolidierung des Halbzeuges 2, z. B. zwischen der fünften und der sechsten Walze W5, W6 und der anschließenden Kühlung mittels der Kühlvorrichtung 1.3 kann auch eine Doppelbandanlage 5, die in 3 und 4 näher gezeigt ist, eingesetzt werden. Dabei weist die Doppelbandanlage 5 eine integrierte Heiz- und Kühlzone 5.1, 5.2 auf.
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An die Konsolidierung anschließend wird das Halbzeug 2 der Kühlvorrichtung 1.3 zugeführt, in der das Halbzeug 2 indirekt gekühlt wird.
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Nach dem Konsolidieren wird das fertige Halbzeug 2 in Abhängigkeit seiner Verwendung aufgerollt und/oder entsprechend vorgegebener Maße abgelängt, d. h. zugeschnitten.
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Durch eine Anordnung der Walzen W1 bis W6 zueinander ist in besonders vorteilhafter Weise eine Dicke einer Schicht der Kunststoffschmelze 4, die in den Textileinleger 3 eingebracht wird, einstellbar. Dabei kann die Dicke der Schicht über die Geschwindigkeit, mit der sich die Walzen W1 bis W6 drehen und/oder über den Umfang der Walzen W1 bis W6 eingestellt werden.
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Das fertige Halbzeug 2 kann nun einer weiteren Verarbeitung, z. B. einem Tiefziehen und/oder einem Warmumformen zugeführt werden, um beispielsweise ein Rohstrukturbauteil oder ein Aufbauteil für ein Fahrzeug herzustellen. Das entsprechende Bauteil kann in einem Spritzgussverfahren flächig und/oder partiell umspritzt werden. Beispielsweise können zu einer Erhöhung einer Steifigkeit des Bauteiles Verstärkungsrippen angespritzt werden.
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Weist das gefertigte Bauteil Verstärkungsfasern in Form von Metalldrähten auf, kann das Bauteil auch zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden.
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In 2 ist eine Spannvorrichtung 6, auch Spannschleife genannt, dargestellt. Mittels der Spannvorrichtung 6 kann der Textileinleger 3, der beispielsweise als Bahnenware vorliegt, der Vorrichtung 1 zugeführt werden, wodurch eine kontinuierliche Produktion sichergestellt werden kann.
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Die Spannvorrichtung 6 weist zumindest eine Rolle R1 auf, die vorzugsweise nicht fest in der Spannvorrichtung 6 gelagert ist und somit der Textileinleger 3 bei Bedarf gespannt ist.
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In 3 ist eine zweite mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 1' zur Herstellung des Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges 2' dargestellt. Dabei entspricht die Anordnung der Walzen W1 bis W6 der Anordnung in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Dabei werden dem Kalander 1.2, insbesondere dem ersten Spalt S1 ein erster und ein zweiter Textileinleger 3', 3'' zugeführt. Der erste und der zweite Textileinleger 3', 3'' sind hierbei beispielsweise jeweils als Gelege oder als Gewebe ausgeführt. Insbesondere handelt es sich bei den Textileinlegern 3', 3'' um kerntief imprägnierte Faserbündel, -stränge und/oder Halbzeuge, um Hybridmaterialien und/oder um Metallhybridgewebe.
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Um die Textileinleger 3', 3'' vor dem Kalandrieren auf die vorgebbare Temperatur zu erwärmen, sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 2 zwei Heizvorrichtungen 1.1, 1.1' angeordnet. Beide Textileinleger 3', 3'' werden mit der Kunststoffschmelze 4 getränkt und anschließend zusammen konsolidiert, wodurch das Halbzeug 2' verbessert imprägniert ist. Hierzu wird ein Kalandrierdruck sowie eine Schmelztemperatur des Kunststoffes erhöht, wobei die Walzen W1 bis W6 vergleichsweise langsame Drehgeschwindigkeiten aufweisen.
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4 zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 1'' zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges 2'' mit ebenfalls mehreren Textileinlegern 3. Dabei umfasst der Kalander 1.2' acht Walzen W1 bis W8.
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Anhand dieser Ausführungsform der Vorrichtung 1'' ist es möglich, dem Kalander 1.2' zwei Lagen des Textileinlegers 3, insbesondere eines trockenen Textils, zuzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1''
- Vorrichtung
- 1.1, 1.1'
- Heizvorrichtung
- 1.2, 1.2'
- Kalander
- 1.3
- Kühlvorrichtung
- 2
- Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug
- 3, 3', 3''
- Textileinleger
- 4
- Kunststoffschmelze
- 5
- Doppelbandanlage
- 5.1
- Heizzone
- 5.2
- Kühlzone
- 6
- Spannvorrichtung
- W1
- bis W8 Walzen
- S1
- erster Spalt
- S2
- zweiter Spalt
- S3
- dritter Spalt
- S4
- vierter Spalt
- R1
- Rolle
- F1
- erste Führungswalze
- F2
- zweite Führungswalze
