DE102011115803A1

DE102011115803A1 - Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix und Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus derartigem Halbzeug

Info

Publication number: DE102011115803A1
Application number: DE102011115803A
Authority: DE
Inventors: Michael Oppermann; Winfried Schmidt; Marco Wacker
Original assignee: Oechsler AG
Current assignee: Oechsler AG
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: EP2766172A2; DE102011115803B4; WO2013053487A2

Abstract

Ein Halbzeug aus einem in eine Kunststoffmatrix eingebetteten mehrlagigen Faser-Flächengebilde ist vielseitiger einsetzbar, wenn die gegenseitigen Verschwenkwinkel von unidirektionalen Fasern in den einzelnen Lagen zu erwartenden mechanischen oder elektrischen Anforderungen angepasst werden, mit untereinander vernähten Fasern an den Kreuzungsstellen. Halbzeug aus beliebigen Faser-Flächengebilden in ihrer Kunststoffmatrix lässt sich in einer Presse oder in einer Tiefziehform, aber auch noch in einer Spritzgussform zu einem ebenen oder dreidimensionalen Bauteil verformen, an dessen Matrix etwa im Mehrkomponenten-Spritzguss Funktionselemente unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften angespritzt werden. Eine Lackbeschichtung lässt sich durch das Spritzgusswerkzeug hindurch auf eine Oberfläche des Bauelementes aufbringen. Mit auf das Halbzeug aufgebrachten oder in das Halbzeug eingebrachten elektrisch leitfähigen Strukturen lassen sich Leiterbahnen von Schaltungen oder Elektroden von kapazitiven Sensoren realisieren. Brillante Farben werden für die Bauteile erzielt, wenn die Fasern entsprechend eingefärbt und/oder deren Flächengebilde entsprechend farbig hinterlegt sind. Farbabweichungen, insbesondere bei weiß erscheinendem Halbzeug, werden durch Hinterlegung mit Komplementärfarben zu den unerwünschten Farberscheinungen weitestgehend austariert. Für lokale Abstrahlung einer Hinterleuchtung erfährt das Halbzeug beziehungsweise das daraus geformte Bauteil eine rückwärtige Ausfräsung und gegebenenfalls deren Auffüllung mit lichtleitendem Kunststoff.

Description

Die Erfindung betrifft Halbzeug und daraus gewonnene Bauteile gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der Hauptansprüche.
Das hier betrachtete Halbzeug besteht im Wesentlichen aus einem, gewöhnlich mehrlagigen, Verbund aus mechanisch hoch belastbaren Fasern wie etwa aus Glas, Carbon oder Aramid, die sich ununterbrochen über die gesamten Abmessungen des Halbzeuges erstrecken. Abgesehen von den mechanischen Eigenschaften der Fasern geht die Verbundgeometrie – wie Gewebe oder Gelege dieses Flächengebildes – in die Belastbarkeit des Halbzeuges und dann des daraus erstellten Bauteiles ein. Dieser Faserverbund aus typischerweise etwa 0,2 bis 0,3 Millimeter starken Einzellagen ist in eine Matrix in Form einer Imprägnierung oder Laminierung aus insbesondere einem Polymer wie Polypropylen, Polyamid, thermoplastischem Polyurethan oder Polyphenylensulfid eingebettet. Unter Hitze- und Druckeinwirkung ist ein derartiges, dann etwa auf die in die Ebene abgewickelte Geometrie zugeschnittenes, Halbzeug ähnlich wie Blech zum Bauteil verformbar, insbesondere tiefziehbar; weshalb solch ein Faserverbundwerkstoff auch als Organoblech bezeichnet wird (vgl. DE 10 2010 001 634 A1 ). Das derart thermoplastisch geformte Bauteil zeichnet sich nach dem Aushärten vor allem durch hohe Festigkeit und Formsteifigkeit bei geringem spezifischem Gewicht aus.
Vorliegender Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, ein gattungsgemäßes Halbzeug störunanfälliger und auch ansonsten preisgünstiger fertigbar sowie vielseitiger einsetzbar auszulegen.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombinationen der einzelnen Hauptansprüche gelöst.
Während etwa ein klassisches Leinwandstruktur- oder ein Körperstruktur-Gewebe aus Carbonfasern in durchscheinender thermoplastischer Matrix einen besonders hochwertigen Eindruck macht, kann dieser Anblick im Einzelfall unerwünscht sein, etwa zur Abstaffelung von Konsumgüter-Preispunkten. Insofern ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Flächengebilde des in der Matrix einzufassenden Verbundes nicht aus Schussfasern durch die Struktur parallel aufgespannter Kettfasern hindurch – und dadurch wellig – miteinander zu verweben, sondern aus gegeneinander verschwenkt aufeinanderfolgenden ebenen Lagen unidiektionaler Faserverläufe auszubilden. Das vermeidet auch weitgehend die beim Gewebe einander benachbart auftretenden, mit Matrixmaterial zu füllenden Kreuzungsräume variabler Querschnitte. Durch die Vorgabe des Winkels der einander kreuzenden jeweils ebenen Faserlagen kann die Festigkeitsgeometrie des Halbzeuges vorgegeben beziehungsweise beeinflusst werden. Zweckmäßigerweise liegen die einzelnen Lagen der zueinander parallel verlaufenden linearen Fasern nicht „lose” aufeinander, sondern sie sind an deren Kreuzungsstellen miteinander vernäht.
In einer Spritzgussform können Funktionselemente auch komplizierter Geometrie wie Rasthaken oder -ösen, Scharnierteile oder Dichtungen aus thermoplastischem Kunststoff nach dem, oder sogar auch erst bei dem, zwei- oder dreidimensionalen Verformen zum Bauteil an die thermoplastische Matrix des Halbzeuges angespritzt werden. Bei entsprechend unterschiedlichen Anforderungen etwa an die Steifigkeit eines Scharnierteils, eines Rasthakens, einer Randeinrahmung und eines Dichtungsrahmens oder bei sonstigen lokal geforderten mechanischer Eigenschaften wird dabei im Interesse rationeller Fertigung vorzugsweise ein Mehrkomponenten-Spritzguss realisiert, um mehrmaliges Umspannen zwischen verschiedenen Spritzgussformen für unterschiedliche Materialien zu erübrigen.
Wenn die Faserverbände zweier Halbzeuge oder bereits daraus geformte Bauteile gegeneinander ausrichtbar miteinander zu verbinden sind, etwa um eine komplette Scharnierfunktion zu realisieren, werden die beiden Teile zueinander geringfügig distanziert von der Spritzgussform aufgenommen, um daraufhin den Zwischenraum zwischen ihnen unter Anbinden an deren Matrizes mit Material wie insbesondere Thermoplast auszuspritzen, das auch nach seinem Aushärten noch in gewissem Maße biegeweich verbleibt.
Zum Erzielen eines besonders ebenen Verbundbauteiles wird das zugeschnittene Verbundhalbzeug in einer Presse geplättet, ehe die erwähnten Anspritzungen in einer Spritzgussform erfolgen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann aber auch in der Spritzgussform selbst zunächst, vor dem Anspritzen von Funktionsteilen an die Matrix, unter Einbringen von Druck und Wärme ein zweidimensionales Plätten des zugeschnittenen Halbzeuges erfolgen, das ein (abgesehen von den erwähnten Anspritzungen) ebenes Bauteil erbringen soll. Jedenfalls dann, wenn ohnehin ein Verbringen in eine Spritzgussform erforderlich wird, ist ein Plätten in dieser Form vor dem Anspritzen von Funktionsteilen wie einem Dichtrand zweckmäßig.
Durch entsprechendes Profilieren des Spritzgusswerkzeuges kann sogar eine gewisse dreidimensionale Formgebung des Halbzeuges erzielt werden, ohne dafür zunächst, vor dem Einbringen in die Spritzgussform, noch ein gesondertes Tiefziehwerkzeug einsetzen zu müssen. Die Verformung erfolgt auch hier, wie beim Plätten in der Spritzgussform, durch die Druckausübung beim Schließen der Form, je nach der Formgebung gegebenenfalls dann noch gesteigert durch das Einbringen des Spritzgussmateriales.
Ebenfalls bereits in der Spritzgussform kann, nämlich durch die benachbarte Werkzeughälfte hindurch, das Aufbringen einer wenigstens einlagigen Lackschicht-Benetzung auf eine der Oberflächen des Bauteiles erfolgen, oder auf bestimmte Bereiche davon. Zu empfehlen ist ein kratzfester oder selbstheilender Schutzlack auf einer den Glanz- und gegebenenfalls Farbeffekt ergebenden Lackschicht, zwischen der und dem Bauteil zunächst ein Primer aufgebracht wurde. Solch ein Effektlack kann auch für besondere Funktionalitäten ausgewählt sein, etwa als Silberlack für eine Antennenfunktion.
Besonders vielfältige Einsatzmöglichkeiten eröffnet ein Patchwork-Halbzeug aus lokal unterschiedlichen Matrix-Materialien und -Farben oder Verbundstrukturen und deren Fasern. Zu breiter Erweiterung der Funktionalität nicht nur in Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, sondern insbesondere auch hinsichtlich elektrischen und hochfrequenztechnischen Verhaltens des Halbzeuges führt eine größerflächige oder wenigstens partielle Ergänzung des Verbundes durch Carbonfasern oder feinste Metalldrähte (insbesondere aus Stahl oder Kupfer). Damit können Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit gegeneinander abgegrenzt und auch ornamentale Eindrücke hervorgerufen oder in ihrem Verlauf und ihrem wirksamen Querschnitt definiert vorgegebene Leiterbahnengeometrien realisiert werden. Für eine Schaltungsauslegung wirkt sich dabei hinsichtlich des Stromflusses vorteilhaft aus, dass selbst bei einem Verbund aus nichtisolierten Leitern wie Carbonfasern an Leiterkreuzungen nur geringfügiges „Übersprechen” im Sinne einer kirchhoffschen Stromflussverzweigung auftritt – ganz überwiegend verbleibt der Stromfluss in derjenigen Faser, in welche die Stromeinspeisung erfolgt, was auch eine sensorische Leiterbahnenverfolgung durch das Halbzeug hindurch ermöglicht.
Ein etwa als elektrischer Annäherungs- beziehungsweise Berührungsschalter einsetzbarer kapazitiver Sensor ergibt sich, wenn das Halbzeug mit einer vollflächigen oder linien- beziehungsweise netzartigen Elektrode hinterlegt oder bestückt ist. Als derartige Elektrode können also auch elektrisch leitende Fasern im Flächengebilde dienen. Diese Elektrode mit der Matrix als Dielektrikum kann dann z. B. an eine Schwingschaltung als Teil einer frequenzbestimmenden Kapazität angesehlossen werden, die sich bei Annäherung etwa einer Fingerkuppe signifikant ändert.
Zum Erzielen eines definiert farbigen, insbesondere weißen. Halbzeugs für daraus auszuformende ebene oder dreidimensional gekrümmte Bauteile wird die zu verarbeitende Faser entsprechend eingefärbt, oder ihr Verbund wird farbig hinterspritzt oder hinterstrichen beziehungsweise dem Verbund einer Farbfolie hinterlegt, ehe der so vorbereitete Verbund in eine – nicht unbedingt durchsichtige aber doch wenigstens durchscheinende – Matrix eingebettet wird. Häufig weist die Matrix einen Farbstich auf, zumal wenn es sich um einen an sich farbneutralen Kunststoff handelt. Dieser Farbstich wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch spürbar kompensiert, dass für die Einfärbung oder Hinterfärbung des Verbundes oder für eine ihm hinterlegte Farbfolie eine farbenpsychologisch zur unerwünscht auftretenden Farberscheinung möglichst komplementäre Farbe gewählt ist, um dadurch den Farbstich in etwa zu neutralisieren. Insbesondere wird einem, bei farblosem Kunststoff häufig alterungsbedingt zu erwartenden, Gelbstich durch blaues bis violettes Ein- oder Hinterfärben des Verbundes im Sinne eines farbneutralen bis weißen Halbzeuges effektiv entgegengewirkt.
Ein etwa gewünschtes Durchleuchten des Halbzeuges beziehungsweise des daraus geformten Bauteiles ist allenfalls diffus, zumeist gar nicht möglich. Wenn ein aus solchem Halbzeug geformtes Bauteil aber etwa für Signal- oder Anzeigezwecke partiell durchleuchtet werden soll, wird es (oder schon sein Halbzeug) insbesondere rückwärtig lokal, entsprechend geometrisch konfiguriert, bis zum Flächengebilde ausgefräst. Sofern die Festigkeitseigenschaften des Bauteiles im konkreten Anwendungsfall unkritisch sind, kann durchaus auch noch wenigstens die äußere Lage des mehrschichtigen Verbundes an- oder abgefräst werden. Zweckmäßig ist es in jedem Fall, die freigefrästen Bereiche im Sinne einer Lichtleiterfunktion mit transparentem Kunststoff wieder auszuspritzen und gegebenenfalls dabei gleich mehrere derartige Bereiche mittels des Lichtleitermaterials rückwärtig streifenförmig oder größerflächig miteinander zu verbinden.
Ein Halbzeug aus einem in eine Kunststoffmatrix eingebetteten mehrlagigen Faser-Flächengebilde ist also wesentlich vielseitiger einsetzbar, wenn, gemäß einem Aspekt vorliegender Erfindung, die gegenseitigen Verschwenkwinkel von unidirektionalen Fasern in den einzelnen Lagen den zu erwartenden mechanischen oder elektrischen Anforderungen angepasst werden, mit untereinander vernähten Fasern an deren Kreuzungsstellen. Lokal voneinander abweichende Fasern, Verbundstrukturen oder Matrizes bilden gewissermaßen ein Patchwork-Halbzeug mit entsprechend variablen Anwendungsmöglichkeiten. Halbzeug aus beliebigen Faser-Flächengebilden in ihrer Kunststoffmatrix lässt sich, statt in einer Presse oder Tiefziehform, auch in einer Spritzgussform zu einem ebenen oder wenigstens geringfügig gewölbten Bauteil verformen; was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn ohnehin eine Überführung in eine Spritzgussform vorgesehen ist, etwa weil dem zum Bauteil verformten Halbzeug darin z. B. im Mehrkomponenten-Spritzguss noch Funktionselemente unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften angespritzt werden sollen. In der Form lassen sich auch voneinander beabstandete Bauelemente im Spritzguss beweglich miteinander verbinden. Eine Lackbeschichtung lässt sich durch das Spritzgusswerkzeug hindurch auf eine Oberfläche des Bauelementes aufbringen. Mit auf das Halbzeug aufgebrachten oder in das Halbzeug eingebrachten elektrisch leitfähigen Strukturen lassen sich Leiterbahnen von Schaltungen oder Elektroden von kapazitiven Sensoren realisieren. Brillante Farben werden für die Bauteile erzielt, wenn die Fasern entsprechend eingefärbt und/ oder deren Flächengebilde entsprechend farbig hinterlegt sind. Störende Farbabweichungen, insbesondere bei weiß angestrebtem Halbzeug mit nicht ganz weißer Matrix, werden durch Hinterlegen mit Komplementärfarben zum unerwünschten Farbeindruck weitestgehend austariert. Für lokale Abstrahlung einer Hinterleuchtung erfährt schon das Halbzeug beziehungsweise das daraus geformte Bauteil eine insbesondere rückwärtige Ausfräsung und gegebenenfalls deren Auffüllung mit lichtleitendem Kunststoff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010001634 A1 [0002]

Claims

Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächengebilde aus Lagen von gegeneinander verschwenkt verlaufenden, an ihren Kreuzungsstellen miteinander vernähten Fasern in die Matrix eingebettet ist.
Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass an die Kunststoffmatrix Funktionselemente unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften in Mehrkomponenten-Spritzguss angespritzt sind, wodurch auch Halbzeug-Faserverbünde beweglich miteinander verbunden sein können.
Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass es lokal voneinander abweichend unterschiedliche Fasern, Verbundstrukturen oder Matrixmaterialien aufweist.
Halbzeug nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es elektrisch leitfähige Fasern oder Matrixbereiche aufweist.
Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer der beiden Elektroden einer an eine Oszillatorschaltung anzuschließenden frequenzbestimmenden Kapazität bestückt ist.
Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass sein Faserverbund – vorzugsweise mit der Komplementärfarbe zur Einfärbung einer fast farblosen Matrix – eingefärbt oder farbig hinterstrichen beziehungsweise hinterlegt ist.
Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus Halbzeug nach einem der vorangehenden Sachansprüche durch Umformen des Halbzeuges unter Einbringen von Druck und Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Spritzgussform einander distanziert benachbarte Bauteile durch Einspritzen von Kunststoff unter Überbrücken der Distanz beweglich miteinander verbunden werden.
Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus Halbzeug nach einem der Sachansprüche durch Umformen des Halbzeuges unter Einbringen von Druck und Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umformen zu einem ebenen oder dreidimensional geformten Bauteil in einer Spritzgussform durch Schließen dessen Werkzeugs und mit dem Anspritzen von Funktionselementen wie Dichtungsrahmen an die Matrix, oder schon vor der Spritzgussform in einer Presse oder in einer Tiefziehform, erfolgt.
Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus Halbzeug nach einem der Sachansprüche durch Umformen des Halbzeuges unter Einbringen von Druck und Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Spritzgussform eine Oberfläche des Bauteiles mit Lack benetzt wird.
Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus Halbzeug nach einem der Sachansprüche durch Umformen des Halbzeuges unter Einbringen von Druck und Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu hinterleuchtendes Bauteil lokal hinterfräst und hier gegebenenfalls mit lichtleitendem Material bestückt wird.