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Die Erfindung betrifft Faserverbundkunststoff-Bauteile und Verfahren, um diese herzustellen.
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Faserverbundwerkstoffe finden zunehmend Verwendung, insbesondere in der Luftfahrtindustrie und im Fahrzeug-Karosseriebereich. Hauptgrund der Anwendung der Faserverbundwerkstoffe ist vor allem die Gewichtsreduzierung von Bauteilen. Solche Werkstoffe werden üblicherweise mit dem bekannten Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM) oder dem Sheet-Molding-Compound-Verfahren (SMC) hergestellt. Während beim RTM-Verfahren stets das flüssige Matrixmaterial in eine Form, die Fasern aufweist, eingespritzt wird und aushärten muss, kann beim SMC-Verfahren das Matrixmaterial auch in granulärer oder anderer Form vorliegen und es wird in einer Werkzeugform mit darin eingelegten Fasern, die als Matten vorliegen, verpresst. Die Verwendung von feingranulären Materialien, respektive Pulvern, zur Verbundwerkstoffherstellung ist bereits aus der
DE 698 03 697 T2 bekannt, in der vorgeschlagen wird, mittels elektrostatischer Imprägnierung Pulver homogen in Faserschichten zur Verbundfaserwerkstoffherstellung einzubringen. Das Trockenimprägnieren eines Verstärkungsmaterials, das aus Fasern bestehen kann, zur Herstellung eines Komposits ist auch aus der
DE 691 30 111 T2 bekannt.
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Wird ein Fasergewebe oder -geflecht, etwa aus Glasfaser-, Kevlar- oder Kohlefasern, die in definierten Orientierungen in eine Thermoplastmatrix eingebettet und zu Platten gewalzt ist, so wird ein sogenanntes Organoblech zur weiteren Fertigung von FVK-Bauteilen erhalten. Wegen seiner guten Haftung zu den Fasern wird Polyamid oft als Thermoplastmatrix verwendet. Zur späteren Be- und Verarbeitung des Organoblechs kann der erhärtete Thermoplast in einer Aufschmelzstation wieder aufgeschmolzen werden, um dann mittels einer gekühlten Presse innerhalb einer kurzen Bearbeitungszeit in die endgültige Form gebracht zu werden.
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Hauptnachteil der Faserverbundwerkstoffe gegenüber homogenen Materialien wie Aluminium- und Stahllegierungen ist die Stoßempfindlichkeit, die zur Delamintation, also dem Aufplatzen bzw. zur Ablösung der einzelnen Faser-Gewebe- und Harzschichten im Faserverbundwerkstoffe führen kann und die Strukturfestigkeit deutlich reduziert. Unter Belastung vergrößern sich die beschädigten Bereiche dann weiter. Da beim Versagen der Strukturen die Faserverbundwerkstoffe abrupt brechen, werden derzeit gefährdete Bauteile üblicher Weise entsprechend stärker dimensioniert ausgelegt, was dazu führt, dass der Gewichtsvorteil gegenüber homogenen Materialien, die durch Stoßbelastungen deutlich weniger beeinträchtigt werden, deutlich verringert wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe der Schaffung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen, die eine verbesserte Stoßbelastungsresistenz aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch das Faserverbundkunststoff-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe der Bereitstellung eines entsprechenden Fertigungsverfahrens für stoßbelastungsverbesserte Faserverbundkunststoff-Bauteile wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbundkunststoff-Bauteils bezieht sich darauf, dass bei einem solchen Bauteil mit wenigstens zwei Faserverbundwerkstoff-Schichten zumindest eine der beiden Faserverbundwerkstoff-Schichten zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien aufweist, die zumindest teilweise in definierten Bereichen unvermischt vorliegen. Unter Faserverbundwerkstoffen sind hier Faserverstärkte Kunststoffe, bzw. FVK und Fasern-Matrix-Verbunde zu verstehen. Erfindungsgemäß weist dabei wenigstens eines der unterschiedliche Matrixmaterialien eine Elastizität auf, die größer ist als die Elastizität der weiteren Matrixmaterialien derselben Faserverbundwerkstoff-Schicht und auch der zweiten oder weiteren Faserverbundwerkstoff-Schichten. Damit wird gemäß der Erfindung erreicht, dass die Bereiche höherer Elastizität dem gesamten Faserverbundkunststoff-Bauteil eine höhere Flexibilität und damit Stoßbelastbarkeit beimessen, da die flexiblen Bereiche ähnlich wie „Dehnungsfugen” wirken, die aus der Bautechnik bekannt sind. Je nach Platzierung der „Dehnungsfugenschicht” kann so die Delaminierung minimiert oder sogar verhindert werden.
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Wenn das Faserverbundkunststoff-Bauteil drei oder mehr Faserverbundwerkstoff-Schichten aufweist, so wird vorgeschlagen, wenigstens eine der mittleren bzw. zwischen einer obersten und einer untersten Schicht des gesamten Faserverbundwerkstoff-Schichtaufbaus liegenden Faserverbundwerkstoff-Schichten als „Dehnungsfugenschicht” mit den zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien auszubilden, wobei diese zumindest teilweise in definierten Bereichen unvermischt vorliegen. „Zumindest teilweise in definierten Bereichen unvermischt” bedeutet hierin, dass die Materialien, die zwar während der Fertigung durchaus exakt abgegrenzt auf eine entsprechende Faserschicht aufgebracht werden können, während des Fertigungsprozesses an den Bereichsgrenzen durchmischt werden, dort also eine Mischung beider oder sogar mehrerer aneinander angrenzenden Matrixmaterialien vorliegen kann. Durch diese Gestaltung wird erreicht, dass das in der mittleren Schicht bereichsweise vertretene Matrixmaterial höchster Elastizität – im Vergleich zu allen weiteren Matrixmaterialien – die Dehnungsfugenfunktionalität bereitstellt und damit die Stoßresistenz verbessert, und auch einer Delaminierung der Schichten bei Stoßbelastung entgegenwirkt.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, dass neben der Dehnungsfugenschicht vorteilhaft zumindest eine weitere Faserverbundwerkstoff-Schicht mit zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien im Gesamtaufbau vorliegt, wobei sich die dort eingesetzten Matrixmaterialien hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft wie Härte, Zähigkeit, Festigkeit, Elastizitätsmodul von den anderen Materialien unterscheidet, und sich so Bereiche ähnlich den Dehnungsfugen oder auch verschiedenartige Bereiche mit unterschiedlichen Funktionsansprüchen herstellen lassen.
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Durch die elastischere Gestaltung einer mittleren Schicht ist es möglich, dass die oberste und eine unterste Faserverbundwerkstoff-Schicht, zwischen denen diese mittlere Faserverbundwerkstoff-Schicht angeordnet ist, jeweils ein homogenes Matrixmaterial aufweisen, wobei sich das Matrixmaterial der obersten Schicht von dem der untersten Schicht unterscheiden kann. Diese können dann auf die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils abgestimmte vorteilhafte Matrixmaterialien aufweisen, die eventuell spröder und härter aber auch glatter und optisch geeigneter sind.
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Die definierten Bereiche, die aus den zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien gebildet sind, können ein Muster bilden, das durchaus regelmäßig sein kann, aber nicht muss. Wenn beispielsweise ein bestimmter Abschnitt des Bauteils eine höhere Elastizität aufweisen soll als andere, so könnten in diesem Abschnitt größere oder mehr Bereiche mit dem elastischeren Matrixmaterial vorliegen als in den restlichen Bauteilabschnitten, nur um ein Beispiel zu nennen.
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Geeignete Matrixmaterialien für Faserverbundkunststoff-Bauteile sind dem Fachmann an sich bekannt; es kann sich dabei um
- – Duroplasten handeln, wobei sich die zwei oder mehr unterschiedliche Matrixmaterialien zumindest hinsichtlich einer Komponente aus der Gruppe umfassend Reaktionsharz, besonders Epoxyharze, bzw. Epoxidharze, Polyester, Polyamid, Phenol, Vinylester; Härter, Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, ein Reaktionsmittel, mehrere Additive, insbesondere Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe, Stabilisatoren unterscheiden, oder es kann sich um
- – Thermoplasten handeln, wobei sich die zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien zumindest hinsichtlich einer Komponente aus der Gruppe umfassend Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, Additive, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe, Stabilisatoren unterscheiden.
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Die Unterscheidung kann in beiden Fällen auch auf den Anteil zumindest einer der vorgenannten jeweiligen Komponenten in Bezug auf die gesamte Matrixmaterialmenge eines der Matrixmaterialien gerichtet sein.
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Die Fasern, beziehungsweise Verstärkungsfasern können in Fasergeweben, -geflechten, -gestricken-matten, -vliesen oder Fasergewirken, oder Kombinationen der vorgenannten aus Glasfasern, Kevlar- oder Kohlefasern oder Kombinationen enthalten sein, wie dem Fachmann bekannt ist.
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Ein erstes der erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Faserverbundkunststoff-Bauteil mit zumindest zwei Faserverbundwerkstoff-Schichten, wobei zumindest eine der beiden Faserverbundwerkstoff-Schichten zumindest zwei unterschiedliche Matrixmaterialien aufweist, die zumindest teilweise in definierten Bereichen unvermischt vorliegen und zumindest eines der unterschiedlichen Matrixmaterialien eine Elastizität aufweist, die größer ist als die Elastizität der weiteren Matrixmaterialien derselben Faserverbundwerkstoff-Schicht und der zumindest einen weiteren Faserverbundwerkstoff-Schicht, sieht zunächst das Bereitstellen der Matrixmaterialien in „granulärer” Form oder Pulverform und von Faserlagen bevorzugt Endlosfasern vor.
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„Granulär” kann hierin eine Körnung meinen, die von feinpulvrig (100 μm) bis grobkörnig (ca bis 2,5 mm) einschließt.
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Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – schichtweise Einbringen der Faserlagen und der zumindest zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien in ein unteres Formteil einer Werkzeugform und dabei Ausbilden der definierten Bereiche, in denen die zumindest zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien unvermischt vorliegen, in zumindest einer der zumindest zwei Faserverbundwerkstoff-Schichten,
- – Schließen des Werkzeugs und
- – Formgeben der Schichtanordnung und Aushärten der Matrixmaterialien
- – Erhalten des Faserverbundkunststoff-Bauteils.
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Das Verfahren kann ferner vorsehen, dass vor dem Einbringen des granulären Matrixmaterials für jedes der unterschiedlichen Matrixmaterialien über der entsprechenden Faserlage eine Schablone angeordnet wird, die die definierten Bereiche abgrenzt. So kann gezielt ein Muster an granulärem Material über der Faserlage erzeugt werden.
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Denkbar ist auch, dass jedes der unterschiedlichen Matrixmaterialien einer Schablonenvorgabe zum Abgrenzen der definierten Bereiche folgend gesteuert über der entsprechenden Faserlage geführt wird, um das Muster oder die Bereich an sich zu erzeugen.
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Das granuläre Matrixmaterial kann zumindest in eine erste Schicht mittels elektrostatischer Kräfte in die Faserlage eingebracht werden.
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Ein alternatives Fertigungsverfahren für ein Faserverbundkunststoff-Bauteil mit zumindest zwei Faserverbundwerkstoff-Schichten, wenn eine thermoplastische Matrix vorgesehen ist, umfasst die Verwendung von Organoblechen, die die Faserlagen und die Matrixmaterialien in konsolidierter Form bereitstellen. So können einfach zwei oder mehr Organobleche schichtweise in die untere Form eines Werkzeugs eingebracht werden, wobei zumindest eines der Organobleche so ausgebildet ist, dass die zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien in definierten Bereichen vorliegen, in denen die zumindest zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien urvermischt enthalten sind. Hierfür können beispielsweise bei der Herstellung der Organobleche Thermoplastfasern aus den unterschiedlichen Matrixmaterialien in den vorgesehenen Bereichen in die Faserlage eingearbeitet werden.
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Es folgen das Schließen des Werkzeugs und Erwärmen der Organobleche zumindest bis zum teilweisen Aufschmelzen der Matrixmaterialien und das Formgeben der Schichtanordnung und Aushärten der Matrixmaterialien, so dass das Faserverbundkunststoff-Bauteil erhalten wird.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Babel zeigen:
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1a eine Seitenansicht eines Faser-Matrix-Schichtaufbaus mit zwei Lagen,
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1b eine Seitenansicht eines Faser-Matrix-Schichtaufbaus mit drei Lagen,
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2 eine Seitenansicht eines schichtweisen Aufbaus von Faserlagen und granulärem Matrixmaterial,
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3a eine Draufsicht auf eine Variante eines Musters einer Matrixschicht,
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3b eine Draufsicht auf eine Variante eines Musters einer Matrixschicht
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4 eine Seitenschnittansicht eines Werkzeugs mit eingelegtem Faser-Matrix-Schichtaufbau,
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5 eine Draufsicht auf ein Organoblech.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Faserverbundkunststoff-Bauteile herzustellen, die während der bestimmungsgemäßen Verwendung auftretende Stoßbelastungen gedämpft aufnehmen, so dass die Auswirkung im Vergleich zu den Auswirkungen, die sich bei konventionellen FVK-Bauteilen im gleichen Falle zeigen, deutlich abgemildert sind und Folgeschäden an den FVK-Bauteilen in einem verringerten Maße auftreten.
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Dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dehnungsfugenähnliche Bereiche oder Abschnitte in das Halbzeug einzubringen, die an sich aus dem Baubereich bekannt sind und Rissbildung und andere Sprödigkeitsschäden verhindern, in dem sie der Gesamtheit des Materials eine gewisse Elastizität verleihen, ohne die positiven Eigenschaften der Halbzeugmaterialfläche an sich zu beeinträchtigen.
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Das Verfahren sieht dazu vor, das Faserverbundkunststoff-Bauteil mittels zweier alternativer Verfahren zu fertigen. Nach einem ersten Verfahren wird zunächst das zur Fertigung erforderliche Matrixmaterial in granulärer Form bereit gestellt. Ist die Körnung des granulären Materials sehr fein, so kann von pulverförmigem Matrixmaterial gesprochen werden, das im Übrigen ein duromeres oder ein thermoplastisches Polymer sein kann.
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Dann werden in ein Unterteil einer Werkzeugform mindestens zwei oder aber mehrere Faserschichten 1 eingelegt, siehe 2, zwischen die auf die erfindungsgemäße Weise Matrixsubstanz 2, 3, 4 eingebaut wird. Die „Matrixsubstanz” besteht dabei aus einem, zwei oder mehr Matrixmaterialien, die sich hinsichtlich ihrer Art oder Zusammensetzung unterscheiden und insofern verschiedene mechanische Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Festigkeit, Elastizitätsmodul haben.
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Es sollen erfindungsgemäß wenigstens zwei Faserverbundwerkstoff-Schichten 12, 14, siehe 1a, vorliegen; ein weiteres Beispiel (1b) zeigt drei Faserverbundwerkstoff-Schichten 12, 13, 14, wobei hier in den Faserverbundwerkstoff-Schichten 14 zwei unterschiedliche Matrixmaterialien 5, 6 vorliegen, die in den definierten Bereichen 15, 16 unvermischt vorliegen.
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Wie derartige Bereiche 15, 16 ausgestaltet sein können zeigen beispielhaft die beiden Varianten der 3a und 3b, die jeweils Muster aus zwei Matrixmaterialien 5, 6 zeigen, wobei das Muster durch die Abgrenzung der Bereiche 15, 16 gebildet wird. Durch das Vorliegen der Matrixmaterialien 5, 6 in granulärer Form können die zwei oder in einem anderen Falle auch mehr unterschiedlichen Materialien 5, 6 gegeneinander abgegrenzt auf die darunter befindliche Faserlage aufgebracht werden und können somit Bereiche bilden, in denen unvermischt nur eines der Matrixmaterialien vorliegt. An den Grenzen der Bereiche 15, 16 wird eine Durchmischung entstehen, sobald bei der Verarbeitung das Material zur Fließfähigkeit erhitzt wird. So geschaffene Matrixschichten 14 können durch die Gestaltung der Bereiche 15, 16 hinsichtlich Matrixmaterial, Form, Größe. Ort, an den jeweiligen Einsatzzweck, etwa unter Berücksichtigung des Kraftflusses im Bauteil durch Zug- und/oder Druckkräfte angepasst werden.
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Um die gewünschte Elastizität des Bauteils zu schaffen weist hier das Matrixmaterial 6 eine elastische Verformbarkeit auf, die größer ist als die des weiteren Matrixmaterials 5 derselben Schicht und auch größer als die Elastizität der Matrixmaterialien der Faserverbundwerkstoff-Schichten die darüber und/oder darunter angeordnet werden. So könnten die gemustert angeordneten pulvrigen Matrixmaterialien 5, 6 die Matrixsubstanz 4 in 1 bilden, während dort die Matrixsubstanzen 2, 3 aus homogenen, aber verschiedenen oder gleichen Matrixmaterialien geringerer Elastizität bestehen können.
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So kann durch das so ausgeführte erste Verfahren ein Matrixaufbau gestaltet werden, der von Schicht zu Schicht unterschiedlich sein kann, so dass zwischen den einzelnen Faserschichten wenigstens ein Matrixmaterial mit elastischen Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen konzentriert vorliegt.
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Der beispielhafte Schichtaufbau in 2 zeigt eine Matrixschicht 2, die hier als zähe Matrixschicht 2 zu verstehen ist, ist als homogene Matrix 2 ebenso zu erkennen die extrem harte homogene Matrixschicht 3 und eine Matrixschicht 4, die aus zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien aufgebaut ist, von denen eines elastisch verformbar ist. Selbstverständlich ist dieser Matrixaufbau nur beispielhaft zu verstehen und es können Anordnungen aus anderen Matrixschichten oder anderen Matrixschichtabfolgen gewählt werden.
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So werden durch das alternierende Auftreten der Matrixmaterialien mit den elastischen Eigenschaften Dehnungsfugen gebildet, die dem Bauteil insgesamt eine verbesserte Elastizität verleihen und damit die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßimpulsen erhöhen. Es ist zu beachten, dass für eine höhere Bauteildicke und größere Stabilität auch mehrere gleichartige Schichten, besonders mehrere der Dehnungsfugen aufweisenden, zwischen den Deckschichten (oberste und unterste Schicht des Aufbaus) enthalten sein können.
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Während das Schichten und Anordnen der Materialien bei einer Temperatur erfolgt, bei der sich das Matrixmaterial im Wesentlichen nicht verflüssigt, wird dann mittels eines Heißpress- oder Fließpressverfahrens die Konsolidierung und Aushärtung des Materials ausgeführt, wobei dem Fachmann bekannt ist, wie die jeweiligen Matrixmaterialien zu handhaben sind.
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Die Bereiche, in denen jedes Matrixmaterial 2, 3, 5, 6 in jeder Schicht 12, 13, 14 zum Einsatz kommt, können durch Schablonen abgegrenzt werden, oder durch eine entsprechende Programmierung der Funktionalität eines entsprechenden Ausgabewerkzeugs bzw. unter Anwendung eines Steuerungsprogramms für das Ausgabewerkzeug, das das granuläre Matrixmaterial 2, 3, 5, 6 auf die jeweilige Faserschicht 1 ausbringt. Ferner ist es denkbar, das Auftragen jedes der unterschiedlichen Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 auf der darunterliegenden Faserschicht oder -lage 1 einem Schablonenmuster folgend, unter Zuhilfenahme von Elektrostatik vorzunehmen.
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Der gesamte Aufbau der Faser- und Matrixschichten, die das Faserverbundkunststoff-Bauteil bilden, ist somit komplett steuerbar und automatisiert ausführbar.
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Die Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 können Duroplasten sein, wobei sich die zwei unterschiedliche Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 zumindest hinsichtlich einer Komponente unterscheiden müssen. Die Komponenten solcher Duroplasten können neben dem Reaktionsharz, besonders Epoxyharz, Polyester, Polyamid, Phenol, Vinylester und neben dem entsprechenden Härter, Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, ein Reaktionsmittel, mehrere Additive, insbesondere Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe oder Stabilisatoren sein. Wenn die Matrixmaterialien Duroplasten sind ist, so ist zum Erhalt des Bauteils der dem Fachmann bekannte Aushärtschritt erforderlich.
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Es kann sich auch um Thermoplasten handeln, dann unterschieden sich die zwei unterschiedliche Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 zumindest hinsichtlich einer Komponente die ein Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, Additive, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe oder Stabilisatoren sein kann bzw. können.
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Die Unterscheidung kann sich auch auf lediglich einen abweichenden Anteil zumindest einer der Komponenten in Bezug auf die gesamte Matrixmaterialmenge eines der Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 unterscheiden, wobei die Komponenten an sich in beiden Matrixmaterialien 2, 3, 5, 6 gleich sind.
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Durch das Einbringen der Matrixsubstanz als granuläres Material aus zumindest zwei unterschiedlichen Matrixmaterialien, von denen nur eines elastische Eigenschaften aufweisen muss, ist es möglich, extrem harte und elastische bzw. flexiblere oder zäheren Matrixmaterialien bereichsweise abwechselnd einzusetzen und damit eine Vielzahl an Matrixsubstanzkombinationen mit unterschiedlich einstellbaren Eigenschaften zu erlangen.
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Wenn als Matrixmaterial ein Reaktionsharz ausgewählt wird, das nicht allein durch Wärme, sondern durch Zugabe eines Härters aushärtet, der im vorliegenden Falle geeigneter Weise durch Temperaturaktivierung im Heißpressschritt aktiviert wird, so sollte die Durchmischung von Harz und Härter um nicht mehr als 10% von der vorgesehenen, für eine vorgegebene Materialqualität des ausgehärteten Reaktionsharzes bestimmte Durchmischung nicht abweichen. Das granuläre Reaktionsharzmaterial muss also mit dem Härter sehr homogen durchmischt sein. Eine gute Durchmischung kann erreicht werden, wenn das Harz/Härter-Gemisch sehr fein gemahlen und als Gemisch bereit gestellt wird, was auch die Dosierung erleichtert.
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In dem alternativen Fertigungsverfahren unter Verwendung von Organoblech werden schichtweise Organobleche 20, siehe 5, in eine Werkzeugform wie die in 4 gezeigte untere Form 7 eingelegt. Dabei zumindest eines der Organobleche 20 so ausgebildet ist, dass die zwei oder mehr unterschiedlichen Matrixmaterialien 5, 6 in definierten Bereichen vorliegen und dort unvermischt enthalten sind.
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Das Schließen des Werkzeugs unter Absenkung des oberen Formteils 8 kann nach oder zugleich mit dem Erwärmen der Organobleche 20, zumindest bis zum teilweisen Aufschmelzen der Matrixmaterialien, die in den Organoblechen 5, 6 enthalten sind, erfolgen. Dann erfolgt das Formgeben der Schichtanordnung und Aushärten der Matrixmaterialien 5, 6 auf bekannte Weise und das erfindungsgemäße Faserverbund-Bauteil wird erhalten. In diesem alternativen Verfahren wird also das harte, thermoplastische Matrix zur Bauteilherstellung erneut aufgeschmolzen. Durch Vorliegen der Organobleche erübrigen sich Schablonen.
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Abweichend zur Formherstellung des Organoblechs vor dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer gekühlten Presse ist es möglich, die Bauteilherstellung mit Organoblechen in einer Presse ohne zusätzliche Kühlung auszuführen. Luft wird durch den Druck aus der Form (Entlassöffnung 10) und aus den Schichten 11 gedrückt, das spätere Bauteil erhält seine endgültige Ausformung.
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Grundsätzlich kann aber auch eine gekühlte Presse eingesetzt werden, etwa für die Fertigung dünner Bauteile. Der Pressvorgang mit Abkühlung dauert mit den derzeit auf dem Markt befindlichen Kühlpressen je nach Halbzeugstärke etwa 30 Sekunden, die erhaltenen flexiblen Faserverbundkunststoff-Bauteile können danach aus der Form entnommen werden.
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Ferner können – gerade wenn ohne Kühlung gearbeitet wird, flexible Formteile benutzt werden, so dass nach der Formgebung die Form 7 mitsamt dem abkühlenden Bauteil aus dem Werkzeug entnommen und in dieses eine andere untere Form 7 eingesetzt wird.
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Bei der Verwendung von festen Formteilen besteht die Möglichkeit, dass nach dem Aufschmelzen des Matrixpulvermaterials die Form nur kurze Zeit in einer Presse ohne Kühlung gepresst wird. Während des Pressens kann das obere und untere Formteil miteinander beispielsweise verschraubt werden oder mittels geeigneter Klemmmittel so fixiert werden, dass weiterhin Druck auf die in der Presse liegende Form ausgeübt wird. Nach dem Lösen der Presse kann die weiterhin noch vorgespannte Form, die weiterhin einen Druck auf das innen liegende Faserverbund-Bauteil (etwa ein CFK-Bauteil) ausübt, entnommen werden und ohne weitere Kühlung bis zur Entnahme bei Erreichen der optimalen Entnahmetemperatur in Ruhe aushärten. Der Vorteil ist der entfallene Energieverbrauch für die Pressenkühlung sowie die kurze Belegungszeit der Presse, der Nachteil ist im entsprechend hohen Vorrat an Formteilen zu sehen. Mischformen aus flexiblen/festen Formteilen sowie beispielsweise reduzierte Pressenkühlleistung etc. sind entsprechend der jeweiligen Produktionsanforderung natürlich möglich.
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Vorteilhaft kann auch CFK-Fasermaterial materialoptimiert zur Ausführung des Verfahrens nach der ersten Variante eingesetzt werden, das in dieser Hinsicht günstiger ist als der Einsatz von Organoblech.
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In beiden Fällen (Verfahren mit granulärem Material oder mit Organoblech) ist es jedenfalls realisierbar, durch die Matrixmaterialwahl unterschiedlich Funktionsbereiche in Bauteil einzustellen und auch Verbindungszonen beispielsweise für die Verbindung mit einem Metallteil, etwa aus Stahl- oder Aluminium einzurichten. Dieser Aspekt ist von großer Bedeutung, da im Fahrzeugbau Materialgemische gerade aus Anbindungs- oder Abschirmungsgründen sehr relevant sind.
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Beide Verfahren Können in einem Werkzeug einer Form ausgeführt werden, wie in 4 gezeigt: Dort liegt ein festes unteres Formteil 7 sowie das entsprechende obere Gegenstück 8 vor. Die Außengestaltung der Formteile 7, 8 kann optimiert für die späteren Arbeitsprozesse beispielsweise geradlinig oder beliebig erfolgen.
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Im unteren Formteil kann im einen Fall das im 2-D-Schnitt angefertigte Fasermaterial, etwa ein CFK-Gewebe, idealerweise für geringen Verschnitt von der Rolle, mit den Matrixschichten zu der Anordnung 11 aufgebaut werden. Die Aufschmelzung der Matrix kann sowohl bei geöffneter oberer Form 8 oder auch im geschlossenen Formzustand erfolgen, wobei sich zur Reduzierung des Energieverbrauchs die Aufschmelzung in der geöffneten Form anbietet. Im letzteren Fall entzieht das obere Formteil 8 beim Pressvorgang ohne Pressenkühlung bereits Wärmeenergie und führt dadurch ohne Kühlung zu einer Reduzierung der Wärmeenergie im in der Fertigung befindlichen Bauteil. Alternativ ist im Formteil 7 mittels Anschlussmöglichkeit 10 an eine Vakuumpumpe ein leichter Unterdruck erzeugbar, um so Lufteinschlüsse in der der Matrix des Bauteils zu vermeiden. Der Unterdruck ist allerdings so schwach dosiert auszulegen, dass das aufgeschmolzene Matrixmaterial dabei nicht abgesaugt wird.
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Durch die Möglichkeit, bei einer entsprechenden Formenfestigkeit 7, 8 mittels Klemm- oder Spannvorrichtungen einen entsprechenden Druck weiterhin auf das Bauteil auch nach der Formentnahme 7, 8 aus der Presse aufrecht zu erhalten, kann der eigentliche Pressvorgang extrem kurz gehalten werden. Dies führt insgesamt zu kürzeren Durchlaufzeiten der Bauteile durch die Presse beziehungsweise zu einer Kapazitätserhöhung, gegebenenfalls verbunden mit einer Energieersparnis durch die reduzierte Pressenkühlung.
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Voraussetzung für den erfindungsgemäßen Schichtaufbau für die erfindungsgemäßen Bauteile an sich für beide Verfahren ist die Verträglichkeit, insbesondere hinsichtlich der chemischen und chemisch-physikalischen Eigenschaften, der jeweiligen Matrixmaterialien zueinander, speziell an den Grenzschichten der unterschiedlichen Matrixmaterialien.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69803697 T2 [0002]
- DE 69130111 T2 [0002]
