DE102011079525A1

DE102011079525A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunstststoffhalbzeugs

Info

Publication number: DE102011079525A1
Application number: DE201110079525
Authority: DE
Inventors: Josef Ulrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, bei dem als Verstärkungsfasern (6) recycelte Kohlenstofffasern in eine Matrix (4) aus Kunststoff, insbesondere Harz eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des faserverstärkten Klding Compound) Verfahren, ein BMC (Bulk Moulding Compound) Verfahren und/oder ein TMC (Thick Moulding Compound) Verfahren verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, bei dem als Verstärkungsfasern recycelte Kohlenstofffasern in eine Matrix aus Kunststoff, insbesondere Harz, eingebracht werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von recycelten Kohlenstofffasern zur Herstellung faserverstärkter Halbzeuge.
Zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen werden beispielsweise Kohlefaser bzw. Kohlenstofffasern, Glasfaser und/oder Aramidfasern eingesetzt. Im Neuzustand liegen diese als Endlosware, beispielsweise auf Spulen aufgerollt, vor. Um die Fasern später verarbeiten zu können, müssen diese auf eine vorbestimmte Länge zugeschnitten werden. Anschließend werden sie in einer Imprägnieranlage angeordnet und dann mit einem Harz imprägniert. Diese Kunststoffhalbzeuge werden dann zu einem Kunststoffbauteil weiterverarbeitet, wobei die Matrix ausgehärtet wird. Die Verwendung von Carbonfasern ist heute mit erhöhten Schwierigkeiten verbunden, da sich solche Kohlenstofffasern schlecht schneiden lassen und nur mit erhöhtem Aufwand auszurichten sind.
Zur Losung dieses Problems wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, faserverstärkte Kunststoffe zu recyclen, indem die Fasern aus dem Harz gelöst und anschließend wieder verwendet werden. Ein solches Verfahren ist aus der DE 10 2009 023 529 bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Verwendung anzugeben, mit dem eine Vielzahl verschiedener faserverstärkter Halbzeuge mittels einer Vielzahl unterschiedlicher Herstellungsverfahren erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Verwendung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs vor, bei dem als Verstärkungsfasern recycelte Kohlenstofffasern in eine Matrix aus Kunststoff, insbesondere Harz, eingebracht werden, wobei zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, insbesondere ein SMC (Sheet Moulding Compound) Verfahren, ein BMC (Bulk Moulding Compound) Verfahren und/oder ein TMC (Thick Moulding Compound) Verfahren verwendet wird. Mit anderen Worten, es werden zunächst Kohlenstofffasern mit Hilfe eines Recycling-Verfahrens zurückgewonnen aus bestehenden faserverstärkten Kunststoffhalbzeugen, anschließend werden die Schritte eines SMC-, BMC- und/oder TMC-Verfahren ausgeführt, unter Verwendung der recycelten Kohlenstofffasern, um ein SMC-, BMC- und/oder TMC-Halbzeug herzustellen.
Bei den genannten Verfahren wird eine Kunststoffmatrix, insbesondere eine duroplastische oder thermoplastische Kunststoffmatrix verwendet, in welche die Fasern, beispielsweise Glas- und/oder Kohlefasern eingebettet werden, um ein Faserverbundhalbzeug herzustellen, Darüber hinaus können in dem Harz auch Füllstoffe vorgesehen sein. Die genannten Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Darüber hinaus können die Verstärkungsfasern in einer vorbestimmten Anordnung ausgerichtet oder in einer wirren Anordnung ausgerichtet und in die Matrix eingebracht oder auf die Matrix aufgebracht werden.
Weiterhin können die Verstärkungsfasern insbesondere zu einem Vlies, Gelege, Gewebe und/oder Geflecht vorab verarbeitet werden und anschließend in die Matrix eingebracht werden.
Die recycelten Kohlenstofffasern können dabei wahlweise aus einer Krempeleinrichtung oder aus einem Speiser unmittelbar in die Matrix eingebracht werden. D. h., die reycelten Kohlenstofffasern werden während der Herstellung des SMC- und/oder des TMC-Halbzeug direkt aus der Krempeleinrichtung oder aus dem Speiser in die Kunststoffmatrix eingebracht. Bei der Herstellung des BMC-Halbzeugs werden die recycelten Kohlenstofffasern zunächst aus einer Krempeleinrichtung und/oder einem Speiser in die Kunststoffmatrix eingebracht und anschließend homogen oder heterogen in der Kunststoffmatrix verteilt. Bei allen genannten Verfahren wird das Kunststoffhalbzeug in ein Spritzguss oder Spritzpresswerkzeug bzw. Presswerkzeug eingebracht und die Endgeometrie des faserverstärkten Kunststoffbauteils hergestellt, indem im Wesentlichen die Kunststoffmatrix ausgehärtet wird.
Weiterhin können den recycelten Kohlenstofffasern recycelte Glasfasern beigemischt werden.
Zusätzlich oder alternativ können den recycelten Kohlenstofffasern auch Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern als Neuware beigemischt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung von recycelten Kohlenstofffasern zur Herstellung faserverstärkter Halbzeuge als Sheet Moulding Compound (SMC), Bulk Moulding Compound (BMC) und/oder Thick Moulding Compound (TMC).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1a Eine Vorrichtung zur Herstellung von SMC-Halbzeugen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
1b eine Vorrichtung zur Herstellung von SMC-Halbzeugen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine Vorrichtung zum Herstellen von TMC-Halbzeugen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden soll eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand von 1a erläutert werden. Bei der Herstellung von SMC-Halbzeugen werden die recycelten Fasern in eine vorbestimmte Form überführt, beispielsweise als Vlies, Geflecht, Gewebe und/oder Gelege und dann der Kunststoffmatrix zugeführt. In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Herstellen von SMC-Halbzeugen dargestellt. Das aus recycelten Kohlenstofffasern erzeugte Vlies 2, Gewebe 2, Geflecht oder Gelege 2 wird dem Kunststoffmatrixsystem 3, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff zugeführt. Das Kunststoffmatrixsystem bzw. die Matrix wird in einer Förderrichtung F entlang einer Unterlage 4, beispielsweise mit Hilfe eines Förderbandes, geführt. Wahlweise kann auf das abgelegte Vlies, Geflecht, Gelege oder Geflecht aus recycelten Kohlenfasern eine zweite Schicht Kunststoffmatrix 3' aufgelegt werden. Hierbei ist es möglich, reine Kohlenstofffaseranteile oder auch ein Gemisch aus recycelten oder neuen Kohlefasern und recycelten oder neuen Glasfasern zu verwenden. Am Ende dieses Prozesses liegt ein faserverstärktes Kunststoffhalbzeug als flächige Formmasse, ein sogenanntes Prepreg, vor.
Alternativ hierzu ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung in 1b gezeigt, mit der ebenfalls SMC-Halbzeuge hergestellt werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile wie in 1a. Alternativ zur ersten Ausführungsform wird in der zweiten Ausführungsform ein sogenannter Speiser 5 oder eine Krempeleinrichtung 5 oberhalb der Kunststoffmatrix 3, die beispielsweise als Kunststoffmatrixfilm ausgeführt sein kann, positioniert. Die recycelten Kohlenstofffasern 6 werden direkt aus dem Speiser 5 oder der Krempeleinrichtung 5 in die Kunststoffmatrix 4 eingebracht. Diese wird, wie bereits mit Bezug zur ersten Ausführungsform beschrieben, entlang einer Förderrichtung F transportiert. Wahlweise kann auch in dieser Ausführungsform eine zweite Matrixschicht 3' auf die recycelte Schicht aus Kohlenstofffasern aufgebracht werden.
In 2 ist eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der TMC-Halbzeuge hergestellt werden. Die Herstellung von TMC-Halbzeugen erfolgt mittels zweier gegenläufiger Walzen 7, auf der sich die Kunststoffmatrix 3 befindet. Analog zur zweiten Ausführungsform der SMC-Herstellung wird erfindungsgemäß recyceltes Fasermaterial 6 aus einer Krempel 5 oder einem Speiser 5 direkt auf die Matrix 3 aufgebracht. Nachdem Durchlaufen zwischen den Walzen 7 liegt das TMC-Halbzeug als kittartige Masse vor und kann anschließend weiterverarbeitet werden, mit Hilfe eines Spritzpress- oder Spritzgussverfahrens bzw. eines Presswerkzeugs.
In einer vierten, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden aus recycelten Kohlefasern BMC-Kunststoffhalbzeuge hergestellt. Bei dem BMC-Verfahren wird der Kunststoffmatrix recyceltes Kohlenstofffaser-Material als Verstärkungsfaser zugeführt. Anschließend liegt eine teigige Masse vor, die zunächst durchmischt wird, so dass die Faserverstärkungen homogen oder heterogen darin verteilt sind. Das so gebildete BMC-Halbzeug liegt ebenfalls als kittartige Masse vor, die anschließend in einem Heißpress- oder Spritzgussprozess weiterverarbeitet werden kann.
In den ersten beiden Ausführungsformen der Erfindung, bei der Herstellung von SMC-Halbzeugen, liegen die Fasern als Langfasern vor und weisen eine typische Faserlänge von 25–50 mm auf. Bei der Herstellung von BMC- und TMC-Halbzeugen kommen sogenannten Kurzfasern zum Einsatz, die eine bevorzugte Faserlänge im Bereich von 0,1 bis 5 mm aufweisen. Je nach Verwendungszweck, können aber auch Fasern mit größerer Länge zum Einsatz kommen. Durch diese kurzen Fasern kann das BMC-, TMC-Halbzeug im Spritzpress- oder Spritzgussverfahren durch die formgebende Form fließen. In allen vier beschriebenen Ausführungsformen wird bevorzugt eine duroplastische Kunststoffmatrix verwendet. Ferner können auch in allen vier Ausführungsformen nicht nur recycelte Kohlenstoff-Fasern als Verstärkungsfasern verwendet werden, sondern wahlweise auch ein Gemisch aus recycelten Kohlenstoff-Fasern, wobei recycelte Glasfasern, neue Kohlenstoff-Fasern und/oder neue Glasfasern beigemischt werden. Durch den Einsatz von Recyklatfasern ist eine Faserlänge von 1 mm bis 200 mm darstellbar. Bei Verwendung von Gelegen und Geweben nahezu endlos.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, kostengünstige SMC-, TMC- und/oder BMC-Halbzeuge herzustellen, bei denen als Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern bzw. Carbonfasern, insbesondere als Recyclatfasern, verwendet werden. Darüber hinaus können auch Faserorientierungen jedweder Art realisiert 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 102009023529 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, bei dem als Verstärkungsfasern (6) recycelte Kohlenstofffasern in eine Matrix (4) aus Kunststoff, insbesondere Harz eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs insbesondere ein SMC (Sheet Moulding Compound) Verfahren, ein BMC (Bulk Moulding Compound) Verfahren und/oder ein TMC (Thick Moulding Compound) Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (6) in einer vorbestimmten Anordnung ausgerichtet oder in einer wirren Anordnung ausgerichtet und in die Matrix eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern zu einem Vlies, Gelege, Gewebe und/oder Geflecht (2) verarbeitet und in die Matrix (4) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Kohlenstofffasern (6) aus einer Krempeleinrichtung (5) oder aus einem Speiser unmittelbar in die Matrix (4) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den recycelten Kohlenstofffasern (6), recycelte Glasfaser beigemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den recycelten Kohlenstofffasern (6), Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern als Neuware beigemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrix (4) ein duroplastischer Kunststoff verwendet wird.
Verwendung recycelter Kohlenstofffasern, zur Herstellung faserverstärkter Halbzeuge als Sheet Moulding Compound, Bulk Moulding Compound und/oder Thick Moulding Compound.