DE102010040301A1

DE102010040301A1 - Faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten dreidimensionalen Kunststoffformteils

Info

Publication number: DE102010040301A1
Application number: DE102010040301A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Türk Oliver; Martin Schleuning
Original assignee: Borsi & Co KG GmbH
Current assignee: Borsi & Co KG GmbH
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil (10) sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines solchen Kunststoffformteils (10). Das Kunststoffformteil (10) weist zumindest eine Endlosfaserlage (16; 18; 20) auf, deren Fasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind, wobei das Kunststoffformteil (10) auf zumindest einer Seite eine aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) aufweist, durch die eine Oberflächenstruktur (10) der Endlosfaserlage (16; 18; 20) kaschiert ist. Die aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) des Kunststoffformteils (10) ist erfindungsgemäß durch eine gemeinsam mit einem Faserhalbzeug (12) in einem einzigen Fertigungsschritt durckumgeformte Kunststofffolie oder -platte (14) gebildet, die dabei gleichzeitig materialschlüssig mit dem Faserhalbzeug verbunden worden ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Faserhalbzeug (12) aus mit Thermoplastfasern gemischten, einem Thermoplasten vorimprägnierten oder in einer Thermoplastmatrix eingebetteten Endlosfasern und eine zur Bildung einer Kunststoffbeschichtung vorgesehenen Thermoplastfolie oder -platte (14) übereinandergelegt und in einem einzigen Fertigungsschritt gemeinsam bei einer vorbestimmten Umformtemperatur druckumgeformt und dabei miteinander materialschlüssig verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Faserverstärkte Kunststoffformteile werden aufgrund ihres Gewichts und ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bevorzugt bei Leichtbauanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Automobilsektor, eingesetzt.
Die Festigkeit und Steifigkeit dieser Kunststoffformteile wird maßgeblich von den üblicherweise aus Glas, Karbon oder Aramid bestehenden Fasern bestimmt, die in einer formstabilen Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Kunststoffmatrix überträgt die Kräfte zwischen den Fasern, stützt diese gegen ein Abknicken und schützt sie vor äußeren physikalischen bzw. chemischen Angriffen. Die Kunststoffmatrix kann aus einem Duroplasten oder auch einem Thermoplasten gebildet sein, wobei Thermoplaste, wie zum Beispiel Polypropylen (PP), Polyamid (PA), im Hinblick auf deren Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Lagerfähigkeit Vorteile bieten. Eine Kunststoffmatrix aus einem Thermoplast bietet zudem Vorteile hinsichtlich einer Recyclingfähigkeit der Kunststoffformteile, insbesondere dann, wenn deren Fasereinlage aus demselben Thermoplast bestehen und das Kunststoffformteil somit sortenrein im Sinne eines Einstoffsystems aufgebaut ist.
In der Praxis werden bei der Fertigung der Kunststoffformteile aus fertigungstechnischen Gründen überwiegend sogenannten Stapelfasern eingesetzt, die sich durch eine recht begrenzte Faserlänge von wenigen Millimetern bis zu in etwa 50 mm auszeichnen. Demgegenüber werden bei sicherheitsrelevanten bzw. in besonderem Maße lasttragenden Kunststoffformteilen sogenannte Hochleistungsfaserverbunde eingesetzt, bei denen die Fasern (ausschließlich) als Endlosfasern vorliegen, d. h. bei denen die Fasern eine Faserlänge aufweisen, die der tatsächlichen Größe des zu fertigenden Kunststoffformteils entspricht. Diese Kunststoffformteile werden üblicherweise aus sogenannten Faserhalbzeugen gefertigt, bei denen die Endlosfasern in ein- oder mehrlagigen Geweben oder Gelegen vorliegen. Die Endlosfasern können bereits mit einem zur Bildung der Kunststoffmatrix vorgesehenem Thermoplastpulver imprägniert oder auch mit dazu vorgesehenen Thermoplastfasern gemischt sind. Alternativ kommen auch, zumeist plattenförmige, Faserhalbzeuge zur Anwendung, bei denen die Endlosfasern bereits in einer Thermoplastmatrix eingebettet sind. Solche Faserhalbzeuge sind am Markt in verschiedenen vorkonfektionierten Varianten zu erwerben.
Die Kunststoffformteile können nach einem Fertigungsverfahren im Wege eines zu dem Tiefziehen von Blechteilen ähnlichen Umformprozesses, aus einem matten- oder plattenförmigen Faserhalbzeug gefertigt werden. Die Endlosfasern des Faserhalbzeugs sind jedoch im Gegensatz zu Stapelfasern bei dem Umformprozess nicht fließfähig und können auch nur sehr begrenzt gestreckt werden, vor allem, wenn es sich um Glasfasern handelt. Aus diesem Grunde kommt es insbesondere bei einer höhergradigen Umformung, wie diese beispielsweisebei der Herstellung von Kunststoffformteilen mit komplexer Geometrie erforderlich ist, in der Regel zu Verwerfungen bzw. Welligkeiten des umgeformten Faserhalbzeugs.
Solche visuell bzw. haptisch erfassbaren Welligkeiten entsprechen jedoch bei vielen Anwendungen nicht den Vorgaben an das optische Erscheinungsbild der Kunststoffformteile. Aus diesem Grunde werden die Kunststoffformteile in einem zusätzlichen Fertigungsschritt aufwändig mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, durch die die Oberflächenwelligkeit ausgeglichen, d. h. in einer Weise überdeckt (kaschiert) wird, dass sich diese an der Oberfläche des Kunststoffformteils nicht mehr abbildet.
Diesbezüglich ist aus der DE 197 55 111 A1 ein elegantes Fertigungsverfahren bekannt geworden, bei dem ein Faserhalbzeug in einer Werkzeugform einer Umformeinrichtung zunächst in die Form des späteren Kunststoffformteils gebracht wird. In einem weiteren Fertigungsschritt wird auf das noch in der Werkzeugform der Umformeinrichtung befindliche Faserhalbzeug nach einem als in-mold coating bezeichneten Verfahren eine flüssige Kunsstofflackschicht aufgebracht, die durch ein Schließen der Werkzeugform auf dem umgeformten Faserhalbzeug verteilt und nachfolgend in der Werkzeugform thermisch unter Ablauf einer Polymerisationsreaktion ausgehärtet wird.
Gleichwohl das Kunststoffformteil im Wege dieses Verfahrens mit einer Kunststoffbeschichtung versehen werden kann, an deren Oberfläche sich keinerlei Gewebestruktur der darunterliegenden Fasereinlage abbildet, ist das Verfahren insgesamt technisch aufwändig, zeitraubend und damit kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist ein faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das einfacher herzustellen ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffformteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 anzugeben, mittels dessen hochfeste Kunststoffformteile mit einer optisch und haptisch einwandfrei glatten Oberfläche auf einfachere und günstigere Weise realisieren lassen.
Die das dreidimensionale faserverstärkte Kunststoffformteil betreffende Aufgabe wird durch ein Kunststoffformteil mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, die das Verfahren betreffende Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Das faserverstärkte dreidimensionale Kunststoffformteil weist zumindest eine Endlosfaserlage auf, deren Fasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind, wobei das Kunststoffformteil auf zumindest einer Seite eine aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche aufweist, durch die eine Oberflächenstruktur der Endlosfaserlage kaschiert ist. Erfindungsgemäß ist die aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche des Kunststoffformteils durch eine gemeinsam mit einem Faserhalbzeug in einem einzigen Fertigungsschritt druckumgeformte und dabei stoffschlüssig mit diesem verbundene thermoplastische Kunststofffolie oder -platte gebildet.
Dadurch kann ein im Wege eines Umformverfahrens gebildetes Kunststoffformteil bereitgestellt werden, das einerseits aus einem Hochleistungsfaserverbund mit Endlosfasern besteht, und das andererseits eine thermoplastische, unverstärkte Oberfläche bzw. Oberflächenschicht aufweist, die keinerlei Welligkeiten bzw. Falten der in dem Kunststoffformteil enthaltenen Faserverstärkung abbildet.
Das erfindungsgemäße Formteil weist dadurch eine sehr gute Oberflächengüte auf. Zusätzliche Oberflächenbearbeitungen sind dadurch nicht mehr erforderlich.
Die aus der Kunststofffolie bzw. -platte gebildete Oberfläche des Kunststoffformteils weist vorzugsweise eine vorbestimmte Textur, Haptik, Härte, und/oder einen vorbestimmten Glanz auf. Dadurch kann das Kunststoffformteil mit auf seinen jeweiligen Einsatzzweck, wie zum Beispiel als Armaturenbrett oder als Karosseriebauteil, ausgerichteten spezifischen Oberflächeneigenschaften versehen werden.
Als Faserhalbzeug können beispielsweise sogenannte Prepregs eingesetzt werden, bei denen die Endlosfasern mit einem thermoplastischen Kunststoff vorimprägniert bzw. bereits in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind. Darüber hinaus können insbesondere auch solche Faserhalbzeuge verwendet werden, bei denen die Endlosfasern mit thermoplastischen Kunststoffasern in einem gewünschten Faser-Matrix Verhältnis gemischt vorliegen. Diese Faserhalbzeuge bestehen somit aus sogenannten commingled yarns, die auch als Hybridgarne bezeichnet werden. Die Endlosfasern können allesamt aus demselben Material oder auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. So können die Endlosfasern Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern oder auch aus einem Thermoplasten bestehen. Im Falle von thermoplastischen Endlosfasern müssen diese hinsichtlich der bei dem Umformprozess eingesetzten Umformtemperatur gegenüber einer thermischen Beschädigung, d. h. beispielsweise gegenüber Strangbrüchen oder Aufbrechen von Quervernetzungen, mit damit einhergehender funktioneller Beeinträchtigung der Endlosfasern geschützt sein. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die thermoplastischen Endlosfasern einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, als der/die die Matrix bildenden Thermoplasten. Andererseits können die thermoplastischen Endlosfasern auch mit einer Hitzeschutzbeschichtung oder dergl. ausgerüstet sein, oder aber bei dem Umformprozess wird ein übermäßiges Aufheizen der Endlosfasern insgesamt vermieden.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundene Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass ein Kunststoffformteil im Wege eines Umformverfahrens hergestellt werden kann, dass einerseits aus einem Hochleistungsfaserverbund mit Endlosfasern besteht, und das andererseits eine thermoplastische, unverstärkte Oberfläche bzw. Oberflächenschicht aufweist, die keinerlei Welligkeiten bzw. Falten der in dem Kunststoffformteil enthaltenen Faserverstärkung abbildet.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Thermoplastfolie bzw. -platte kann während des Umformprozesses bei einer entsprechend gewählten Umformtemperatur fließen und sich unter dem anliegenden Druck des Umformwerkzeugs rasch in Vertiefungen bzw. Verwerfungen der Endlosfasereinlage des Kunststoffformteils hinein bewegen. Dadurch wird einerseits ein großflächiger physikalischer Kontakt mit dem Faserhalbzeug ermöglicht, was eine besonders stabile materialschlüssige Verbindung der Kunststoffbeschichtung mit dem darunterliegenden Faserhalbzeug erlaubt.
Aufgrund der bei thermoplastischen Werkstoffen gegebenen Schweißbarkeit kann die Thermoplastfolie bzw. -platte vorteilhafter Weise ohne einen zusätzlichen Einsatz eines Klebemittels unmittelbar mit dem Faserhalbzeug verschweißt werden.
Andererseits können Rauigkeiten, Welligkeiten oder auch andersgeartete Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des in Form gepressten Faserhalbzeugs zuverlässig ausgeglichen werden, so dass sich eine ebenmäßige, d. h. glatte und makellose Oberfläche des Kunststoffformteils ergibt. In der Praxis hat sich bei einem höhergradigen Ausgleichsbedarf solcher Unregelmäßigkeiten dabei die Verwendung einer Thermoplastplatte als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Oberfläche des Kunststoffformteils kann elektrisch leitfähig ausgebildet werden, wobei unter einer elektrischen Leifähigkeit vorliegend eine Leitfähigkeit von besser 10 S/m (Siemens/Meter) verstanden wird.
Darüber hinaus kann die mit einem Umformwerkzeug (Matrize/Patrize) in Kontakt kommende Oberfläche der Thermoplastfolie bzw. -platte kann den Anforderungen entsprechend und unabhängig von strukturellen Unregelmäßigkeiten der Endlosfasereinlage ohne Weiteres hinsichtlich Glanz, Textur und/oder Haptik eingestellt werden. Die Thermoplastfolie bzw. -platte kann zudem in beliebiger Weise vorbedruckt oder durchgefärbt sein, so dass sich nahezu unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten der Kunststoffformteile ergeben. So sind komplex gekrümmte Kunststoffformteile mit Symbolen, Durchlichttechnik, aber auch den unterschiedlichsten andern Dekoren ohne Weiteres realisierbar. Die Oberfläche des Kunststoffformteils kann zudem durch eine geeignete Materialwahl der Thermoplastfolie bzw. -platte hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, beispielsweise ihrer Kratzfestigkeit oder ihrer Chemikalienbeständigkeit, in weiten Bereichen eingestellt werden.
Die Thermoplastfolie bzw. Thermoplastplatte kann in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise der Umformeinrichtung gemeinsam mit einem jeweilig in die Form des Kunststoffformteils zu pressenden Faserhalbzeug (getaktet) zugeführt werden. Dadurch sind hohe Ausbringungsraten und eine besonders effiziente Großserienfertigung solcher Kunststoffformteile möglich. Der Einsatz einer Thermoplastfolie bzw. -platte bietet zudem gegenüber von Beginn an flüssigen Beschichtungssystemen ein erleichtertes Materialhandling und ist fertigungstechnisch einfacher zu realisieren.
Als Faserhalbzeug können beispielsweise sogenannte Prepregs, eingesetzt werden, die mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix vorimprägniert sind. Neben mit Thermoplastpulver vorimprägnierten Prepregs können insbesondere auch solche verwendet werden, bei denen die Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Kunststoffasern in einem gewünschten Faser-Matrix Verhältnis gemischt vorliegen. Diese Faserhalbzeuge bestehen somit aus sogenannten commingled yarns, die auch als Hybridgarne bezeichnet werden.
Sofern die für die Matrix eingesetzten Thermoplaste mit dem Material der Verstärkungsfasern und dem der Thermoplastfolie bzw. -platte identisch ist, ist darüber hinaus ein besonders einfaches und effektives Recycling des Kunststoffformteils nach Erreichen seines Produktlebenszyklus gewährleistet.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Thermoplastfolie oder -platte eine auf das Faserhalbzeug, insbesondere auf die Oberflächenstruktur des umgeformten bzw. formgepressten Faserhalbzeugs, abgestimmte Materialstärke auf. Dadurch können einerseits auch gröbere Welligkeiten bzw. Unebenheiten des in Form gepressten Faserhalbzeugs in nur einem Fertigungsschritt zuverlässig ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird der Materialaufwand auf ein jeweils notwendiges Maß beschränkt.
Im Hinblick auf eine möglichst vollflächig hochwertige Ausführung der Oberfläche des Kunststoffformteils überdeckt die Thermoplastfolie oder -platte das Faserhalbzeug vorzugsweise vollständig.
Aus Stabilitätsgründen sowie auch um eine dauerhafte und optisch einwandfreie Oberfläche zu gewährleisten, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Faserhalbzeug und die Thermoplastfolie oder -platte vollflächig miteinander verschweißt werden. Dadurch kann einem Eindringen von Verunreinigungen und einer Beschädigung bzw. Beeinträchtigung des Erscheinungsbildes des Kunststoffformteils dauerhaft entgegengewirkt werden.
Die Fertigung des Kunststoffformteils lässt sich nochmals effizienter gestalten, wenn die Thermoplastfolie oder -platte (erst) während des Umformprozess auf ein gewünschtes Maß zugeschnitten bzw. freigestanzt wird. Das Zuschneiden bzw. Freistanzen erfolgt dabei vorzugsweise bei einer Vorschubbewegung eines Werkzeugteils (Patrize) in Richtung auf ein anderes Werkzeugteil (Matrize).
Zwecks eines möglichst breiten Fertigungsspektrums weist die Thermoplastfolie oder -platte vorzugsweise Kunststoffadditive, insbesondere eingebettete Pigmente, Metallpartikel, und/oder UV-Absorber, auf. Dadurch lassen sich beispielsweise thermoplastische Kunststoffformteile realisieren, die gegenüber Wärmestrahlung, oder Feuchtigkeit besonders unempfindlich und demnach beständiger gegenüber einer Alterung sind. Im Falle der Metallpartikel kann insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche des Kunststoffformteils bzw. auch deren Reflexionsvermögen gegenüber Strahlung in einer vorbestimmten Weise eingestellt werden.
Die Thermoplastfolie oder- platte kann insbesondere aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) oder Polyvinylchlorid (PVC) gebildet sein.
Die Oberfläche der durch die Thermoplastfolie oder -platte gebildeten Kunststoffbeschichtung des Kunststoffformteils ist nach einer Weiterbildung der Erfindung hochglänzend, d. h. sie weist nach der DIN 67 530 mehr als 70 Glanzeinheiten, bezogen auf einen Messwinkel von 60°, auf. Dadurch können auch Kunststoffformteile gefertigt werden, die im Hinblick auf das äußere Erscheinungsbild, wie beispielsweise im Interieur oder Exterieur eines Automobils, höchsten Anforderungen genügen müssen. Es versteht sich, dass die Oberfläche des Kunststoffformteils auch mit geringeren Glanzgraden ausgeführt werden kann.
Das Faserhalbzeug weist in jedem Falle zumindest eine Endlosfaserschicht auf. Die Stabilität und Festigkeit des Kunststoffformteils kann weiter gesteigert werden, indem das Faserhalbzeug mehrere übereinanderliegende Endlosdfaserschichten aufweist. Die jeweilige Faserverlaufsrichtung der einzelnen Endlosfaserschichten ist dabei vorzugsweise auf Lastlinien des zu fertigenden Kunststoffformteils ausgerichtet.
Die Endlosfasern der jeweiligen Endlosfaserschicht können nach der Erfindung als Gelege oder als Gewebe ausgebildet sein.
In Abhängigkeit von den an das Kunststoffformteil gestellten Anforderungen können als Endlosfasern Naturfasern, anorganische Chemiefasern, insbesondere Kohle- und/oder Glasfasern, und/oder Fasern aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, insbesondere Aramid eingesetzt werden.
Das Kunststoffformteil wird nach der Druckumformung mittels eines Kühlmediums, vorzugsweise schlagartig, auf eine vorbestimmte Ausformtemperatur abgekühlt (abgeschreckt). Dadurch wird die im Wege des Umformprozesses erhaltene Formgebung des thermoplastischen Kunststoffformteils zügig stabilisiert und einer unbeabsichtigten Formänderung des Kunststoffformteils bei dessen Ausformen entgegengewirkt. Insgesamt lässt sich so zudem die Ausbringung von erfindungsgemäß hergestellten Kunststoffformteilen insgesamt erhöhen.
Zur beiderseitigen Beschichtung des Faserhalbzeugs ist erfindungsgemäß eine zweite Thermoplastfolie oder -platte vorgesehen, wobei das Faserhalbzeug zwischen den beiden Thermoplastfolien bzw. -platten angeordnet und gemeinsam mit diesen druckumgeformt und verschweißt wird. Dadurch können Kunststoffformteile zur Verfügung gestellt werden, deren Oberfläche zu beiden Seiten keinerlei strukturelle Unregelmäßigkeiten der Faserlage(n) des Kunststoffformteils abbilden.
Ein unterschiedliches Erscheinungsbild bzw. Haptik oder auch unterschiedliche mechanische Eigenschaften der Beschichtungen des Kunststoffformteils (bzw. des Endlosfaserhalbzeugs) kann nach der Erfindung dadurch eingestellt werden, dass sich die erste Thermoplastfolie oder platte von der zweiten Thermoplastfolie oder -platte unterscheidet. So können die beiden eingesetzten Thermoplastfolien bzw. -platten beispielsweise aus unterschiedlichen Thermoplasten bestehen oder auch unterschiedliche Kunststoffadditive, wie etwa unterschiedliche Pigmente oder Dekore, aufweisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Gegenstands sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden kann.
In der Zeichnung zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil in einem ausschnittsweise wiedergegebenen Querschnitt; und
2 ein Blockdiagramm mit einzelnen Fertigungsschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten dreidimensionalen Kunststoffformteils gemäß 1.
In der 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes faserverstärktes Kunststoffformteil in einem ausschnittsweise wiedergegebenen Querschnitt gezeugt. Das Kunststoffformteil 10 ist aus einem plattenförmigen Faserhalbzeug 12 und einer zur Bildung einer Kunststoffbeschichtung des Faserhalbzeugs 12 vorgesehenen Thermoplastplatte 14 gebildet, die in einem Umformwerkzeug in einem einzigen Fertigungsschritt gemeinsam druckumgeformt und dabei miteinander verschweißt wurden.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist das strukturelle und funktionelle Rückgrat des Kunststoffformteils 10 durch drei übereinanderliegende Endlosfaserlagen 16, 18, 20 des Faserhalbzeugs 12 gebildet. Die einzelnen Endlosfaserlagen 16, 18, 20 bestehen jeweils aus zueinander im Wesentlichen parallel angeordneten und in der Zeichnung nicht näher wiedergegebenen Endlosfasern, deren Länge der jeweiligen Ausdehnung des Kunststoffformteils 10 in Verlaufsfrichtung der Endlosfasern entspricht. Die Endlosfasern sind in einer in der Zeichnung nicht näher wiedergegebenen Kunststoffmatrix eingebettet, die ebenfalls aus einem Thermoplast gebildet ist.
Die Endlosfaserlagen 16, 18, 20 unterscheiden sich bezüglich der jeweiligen Verlaufsrichtung ihrer Endlosfasern. In der in der Fig. mittig angeordneten Endlosfaserlage 16 verlaufen die Endlosfasern im Wesentlichen entlang einer mit 22 bezeichneten Lastachse des Kunststoffformteils 10. Die Endlosfasern der in der Fig. darüber liegenden Endlosfaserlage 20 verlaufen jeweils in einem Winkel von +45° zur Lastachse des Kunststoffformteils, während die Endlosfasern in der untersten Endlosfaserlage 16 in einem Winkel von –45° zu der Lastachse 22 des Kunststoffformteils 10 verlaufen. Die Endlosfasern sind allesamt Kohlefasern mit einem äußeren Faserdurchmesser von ungefähr sechs Mikrometern.
Das in die Form des Kunststoffformteils 10 gepresste Faserhalbzeug 12 weist aufgrund der Eigenschaften der Endlosfasern einen insgesamt welligen Verlauf auf, der durch die Thermoplastplatte 14, d. h. der mit dieser erzeugten Kunststoffbeschichtung des Faserhalbzeugs 12 bzw. des fertiggestellten Kunststoffformteils 10 ausgeglichen wird.
Die Thermoplastplatte 14 ist der darunterliegend angeordneten Endlosfaserlage 20 des Faserhalbzeugs 12, insbesondere auch im Bereich von der Thermoplastplatte 14 zugewandten Vertiefungen 24 des Faserhalbzeugs 12, angeformt und ist mit dieser vollflächig verschweißt, d. h. unlösbar mit dieser verbunden. Die Thermoplastplatte 14 besteht bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Polycarbonat und weist Pigmente und andere Kunststoffadditive, wie beispielsweise einen UV-Absorber und ein Flammschutzmittel auf.
Die von der Thermoplastplatte 14 gebildete Oberfläche 26 des Kunststoffformteils ist in dem hier wiedergegebenen Ausschnitt vollkommen eben und glatt, d. h. die Oberfläche 26 weist keine mit dem unbewaffneten Auge erkennbare Oberflächenstrukturierung auf. Die Oberfläche 26 ist hochglänzend ausgeführt, d. h. die Oberfläche weist einen nach der DIN 67 530 bei 60° ermittelten Glanz von mehr als 70 Glanzeinheiten auf.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des vorstehend im Zusammenhang mit der 1 erläuterten faserverstärkten Kunststoffformteils unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 2 näher erläutert:
In einem ersten Fertigungsschritt 100 wird ein plattenförmiges Faserhalbzeug 12 in einer nicht näher wiedergegebenen Umformeinrichtung positioniert. Das Faserhalbzeug 12 weist die eingangs erläuterten drei Endlosfaserlagen 16, 18, 20 (1) auf, die in einer (noch harten) Thermoplastmatrix eingebettet sind und die jeweils den vorstehend erläuterten Faserverlausfsrichtung aufweisen.
In einem nachfolgenden Schritt 110 wird eine Thermoplastplatte auf das in der Umformeinrichtung positionierte Endlosfaserhalbzeug 12 aufgelegt und das Endlosfaserhalbzeug 12 in einem nachfolgenden Schritt 120 mitsamt der diesem aufliegenden Thermoplastplatte 14 bei einer definierten Umformtemperatur unter hohem Druck in die Form des späteren Kunststoffformteils gepresst sowie zeitgleich vollflächig miteinander verschweißt. Eine chemische Reaktion, wie diese von der Verarbeitung duroplastischer Halbzeugen bekannt ist, findet dabei nicht statt.
Nach einem Abkühlen des Kunststoffformteils, welches auch mittels Abkühlmediums forciert werden kann, wird das fertiggestellte faserverstärkte Kunststoffteil dem Umformwerkzeug in einem abschließenden Schritt 130 entnommen.
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil (10) sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines solchen Kunststoffformteils (10). Das Kunststoffformteil (10) weist zumindest eine Endlosfaserlage (16; 18; 20) auf, deren Fasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind, wobei das Kunststoffformteil (10) auf zumindest einer Seite eine aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) aufweist, durch die eine Oberflächenstruktur (10) der Endlosfaserlage (16; 18; 20) kaschiert ist. Die aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) des Kunststoffformteils (10) ist erfindungsgemäß durch eine gemeinsam mit einem Faserhalbzeug (12) in einem einzigen Fertigungsschritt durckumgeformte Kunststofffolie oder -platte (14) gebildet, die dabei gleichzeitig materialschlüssig mit dem Faserhalbzeug verbunden worden ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Faserhalbzeug (12) aus mit Thermoplastfasern gemischten, einem Thermoplasten vorimprägnierten oder in einer Thermoplastmatrix eingebetteten Endlosfasern und eine zur Bildung einer Kunststoffbeschichtung vorgesehenen Thermoplastfolie oder -platte (14) übereinandergelegt und in einem einzigen Fertigungsschritt (120) gemeinsam bei einer vorbestimmten Umformtemperatur druckumgeformt und dabei miteinander materialschlüssig verbunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19755111 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 67 530 [0032]
DIN 67 530 [0048]

Claims

Faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil (10), mit zumindest einer Endlosfaserlage (16; 18; 20), deren Fasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind, wobei das Kunststoffformteil (10) auf zumindest einer Seite eine aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) aufweist, durch die eine Oberflächenstruktur der Endlosfaserlage (16; 18; 20) kaschiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildete Oberfläche (24) des Kunststoffformteils (10) durch eine gemeinsam mit einem. Faserhalbzeug (12) in einem einzigen Fertigungsschritt (120) druckumgeformte und dabei stoffschlüssig mit diesem verbundene thermoplastische Kunststofffolie oder -platte (14) gebildet ist.
Faserverstärktes dreidimensionales Kunststoffformteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die thermoplastische Kunststofffolie oder -platte (14) gebildete Oberfläche (24) eine vorbestimmte Textur, Haptik, Härte, und/oder einen vorbestimmten Glanz aufweist.
Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten dreidimensionalen Kunststoffformteils (10), bei dem ein Faserhalbzeug (12) aus Endlosfasern, die mit Thermoplastfasern gemischt, mit einem Thermoplasten vorimprägniert oder in einer Thermoplastmatrix eingebettet sind, bei einer vorbestimmten Umformtemperatur druckumgeformt und auf wenigstens einer Seite mit einer Kunststoffbeschichtung versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (12) und eine zur Bildung der Kunststoffbeschichtung vorgesehene Thermoplastfolie oder -platte (14) aufeinandergelegt und in einem einzigen Fertigungsschritt (120) gemeinsam druckumgeformt und dabei miteinander materialschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie oder -platte (14) eine auf die Oberflächenstruktur des umgeformten Faserhalbzeugs (12) abgestimmte Materialstärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie oder -platte (14) das Faserhalbzeug (12) vollständig überdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (12) und die Thermoplastfolie oder -platte (14) vollflächig miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie oder -platte (14) bei dem Umformprozess auf ein gewünschtes Maß zugeschnitten bzw. freigestanzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie oder -platte (14) Kunststoffadditive, insbesondere eingebettete Pigmente, Metallpartikel, und/oder UV-Absorber, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie oder -platte (14) aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) oder Polyvinylchlorid (PVC) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Thermoplastfolie oder -platte (14) gebildete Kunststoffbeschichtung eine hochglänzende Oberfläche (26), d. h. eine Oberfläche mit mehr als 70 Glanzeinheiten nach DIN 67 530, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (12) mehrere übereinanderliegend angeordnete Endlosfaserschichten (14, 16, 18) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern Naturfasern, anorganische Chemiefasern, insbesondere Kohle- und/oder Glasfasern, und/oder Fasern aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, insbesondere Aramid, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffformteil (10) nach der Druckumformung mittels eines Kühlmediums, vorzugsweise schlagartig, auf eine vorbestimmte Ausformtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer beidseitigen Beschichtung des, Faserhalbzeugs eine zweite Thermoplastfolie oder -platte vorgesehen ist, wobei das Faserhalbzeug (12) zwischen den beiden Thermoplastfolien und/oder -platten angeordnet und gemeinsam mit diesen druckumgeformt und materialschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Thermoplastfolie oder -platte von der zweiten Thermoplastfolie oder -platte, insbesondere in ihrem Material, unterscheidet.