DE102012204345A1

DE102012204345A1 - Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102012204345A1
Application number: DE102012204345A
Authority: DE
Inventors: Tim Witzke; Patrik-Vincent Brudzinski; Andreas Wöginger
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-19
Also published as: KR20140138960A; US20150004368A1; WO2013139410A1; KR101703123B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff, welcher eine Faserstruktur umfasst, die mit einem Matrixmaterial imprägniert ist, welches wenigstens einen Thermoplasten enthält, wobei wenigstens eine der Flachseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs eine Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, die sich von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen faserverstärkten Verbundwerkstoffs.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind aus einer mit einem Matrixmaterial imprägnierten Faserstruktur zusammengesetzt und weisen insbesondere in der Faserrichtung eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf. Zudem zeichnen sich diese Verbundwerkstoffe im Vergleich zu anderen Materialien, wie Metallen, beispielsweise Stahl, durch ein geringes spezifisches Gewicht, durch eine niedrige Wärmeausdehnung und durch eine ausgezeichnete Temperaturwechselfestigkeit aus. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften werden faserverstärkte Verbundwerkstoffe in zunehmendem Maße in vielen technischen Gebieten eingesetzt.
Beispiele für solche faserverstärkten Verbundwerkstoffe sind faserverstärkte Kunststoffe, wie carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK), welche aus einer Matrix aus Kunststoff, wie Thermoplast und/oder Duroplast zusammengesetzt sind, in welcher Carbonfasern oder Graphitfasern in einer oder mehreren Faserlagen eingebettet sind. Dabei lassen sich derartige Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus einem oder mehreren Thermoplasten aufgrund der Eigenschaft von Thermoplasten, im Gegensatz zu Duroplasten zerstörungsfrei auf eine oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegende Temperatur erhitzt werden zu können, leicht zu einem Formkörper mit einer gewünschten Form verarbeiten. Häufig werden hierzu thermoplastische faserverstärkte Verbundwerkstoffe in der Form von Bändern bzw. Tapes hergestellt und anschließend werden Abschnitte dieser Bänder schichtweise übereinander gelegt sowie miteinander verpresst, um Laminate mit einer gewünschten Form und mit gewünschten, an die Verwendung der Formkörper angepassten Eigenschaften zu erzeugen.
Thermoplastische Bänder, wie beispielsweise thermoplastische Bänder mit unidirektionaler Carbonfaserstruktur, werden beispielsweise so hergestellt, dass Carbonfaserrovings von einem Spulengatter abgezogen und durch eine mit flüssiger Thermoplastschmelze gefüllte und druckbeaufschlagte Kavität gezogen werden. Mit einem solchen Verfahren werden je nach Art der eingesetzten Pressvorrichtung Bänder mit einer glatten Oberfläche oder Bänder erhalten, welche in der Oberfläche ihrer Flachseiten Längsrillen aufweisen.
Alternativ dazu können solche thermoplastischen Bänder mit unidirektionaler Carbonfaserstruktur hergestellt werden, indem Fäden zu einer textilen Struktur gespreitzt werden und mit einer Thermoplastfolie bedeckt werden, wonach in einer Hochdruckdoppelbandpresse eine Imprägnierung der Faserbündel mit der aufgeschmolzenen Folie erfolgt. Mit diesem Verfahren werden Bänder mit einer glatten Oberfläche erhalten.
Infolge ihrer glatten Oberfläche oder Oberflächen mit Längsstruktur, d.h. Längsrillen in der Oberfläche ihrer Flachseiten, lassen sich diese Bänder nicht zu Laminaten mit homogenem Aufbau und sehr hoher Qualität verarbeiten. Dies deshalb, weil sich wegen der glatten bzw. in Längsrichtung strukturierten Oberflächen dieser Bänder Lufteinschlüsse, welche sich bei dem schichtweisen Aufeinanderlegen mehrerer Abschnitte aus dem bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff zwangsläufig zwischen den einzelnen Schichten ausbilden, vor und während dem Pressen des Laminats nicht vollständig und nur durch sehr langes Pressen zumindest bis zu einem akzeptablen Ausmaß austreiben lassen, so dass in dem hergestellten Laminat unregelmäßig vorliegende Lufteinschlüsse vorliegen, welche die Eigenschaften des Laminats nachteilig beeinträchtigen. Ferner weisen die bekannten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffe den Nachteil auf, dass aufeinander liegende Abschnitte aus dem bandförmigen Verbundwerkstoff unkontrolliert gegeneinander verrutschen können, wodurch das Herstellen von Laminaten mit genau definierten Geometrien und Schichtabfolgen erheblich erschwert wird und zudem bei dem Herstellen von Laminaten die Faserstruktur beschädigt werden kann.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff anzugeben, der einfach und kostengünstig verarbeitet werden kann und insbesondere einfach und kostengünstig zu einem Laminat aus mehreren übereinander liegenden Schichten aus dem Verbundwerkstoff mit hoher Homogenität und Qualität und insbesondere ohne Lufteinschlüsse zwischen den Schichten verarbeitet werden kann, ohne dass bei dessen Verarbeitung ein unkontrolliertes Verrutschen der einzelnen Lagen gegeneinander auftritt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff, welcher eine Faserstruktur umfasst, die mit einem Matrixmaterial imprägniert ist, welches wenigstens einen Thermoplasten enthält, wobei wenigstens eine der Flachseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs eine Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, die sich von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt.
Diese Lösung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass bei einem bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff mit einer Thermoplastmatrix, bei dem wenigstens eine seiner Flachseiten eine wenigstens eine Vertiefung umfassende Oberflächenprofilierung aufweist, wobei sich die wenigstens eine Vertiefung von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt, Lufteinschlüsse, die sich zwischen den einzelnen Schichten ausbilden, wenn Abschnitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs übereinander gelegt werden, zuverlässig und schnell nach außen abgeführt werden, und zwar insbesondere während die beiden Abschnitte miteinander verpresst werden. Da sich die wenigstens eine Vertiefung ausgehend von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt, bildet diese Vertiefung zwischen den Schichten des Laminats einen Kanal, über den die Lufteinschlüsse aus dem, bezogen auf die Breitenrichtung des Bandes, seitlichen und mittleren Bereich des Bandes in Breitenrichtung des Bandes, d.h. auf – im Vergleich zu Längsrillen – kurzem Weg und daher bereits bei einem kurzem Pressen des Laminats aus dem Laminat abgeführt werden. Dadurch wird eine erheblich zuverlässigere, vollständigere und schnellere Abführung der Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffes erreicht als bei Laminaten, welche aus aus dem Stand der Technik bekannten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen gebildet werden, welche glatte Oberflächen oder Oberflächen mit Längsrillen aufweisen. Gleichzeitig gewährleistet die Oberflächenprofilierung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs eine verbesserte Haftung bzw. gegenseitige Lagefixierung, wenn mehrere Abschnitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aufeinander laminiert werden, da bei dem Laminieren die Profilierungen der Oberflächen der übereinander liegenden Schichten zumindest teilweise ineinander greifen können, wodurch eine zuverlässig Lagefixierung der in die gewünschte Position gebrachten Schichten gewährleistet und ein unkontrolliertes Verrutschen der Schichten gegeneinander zuverlässig vermieden wird. Aufgrund dessen kann der erfindungsgemäße bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff einfach und kostengünstig zu einem Laminat aus mehreren übereinander liegenden Schichten aus dem Verbundwerkstoff mit hoher Homogenität und Qualität und insbesondere ohne Lufteinschlüsse zwischen den Schichten verarbeitet werden, ohne dass bei dessen Verarbeitung ein unkontrolliertes Verrutschen der einzelnen Lagen gegeneinander auftritt, wodurch eine Beschädigung der Faserstruktur ausgeschlossen wird und zudem ein Laminat mit genau definierter Geometrie und Schichtabfolge erhalten wird.
Erfindungsgemäß weist der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff auf wenigstens einer seiner Flachseiten eine wenigstens eine Vertiefung umfassende Oberflächenprofilierung auf, wobei sich die wenigstens eine Vertiefung von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt. Bei dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich nicht nur um ein Endprodukt, d.h. um einen aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff zusammengesetzten fertig bearbeiteten Formkörper, sondern auch um ein Halbzeug, wie beispielsweise ein Prepreg, handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung der Oberflächenprofilierung der wenigstens einen Flachseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs von einer seiner Längsschmalseiten aus durchgehend über wenigstens 50 %, bevorzugt über wenigstens 70 %, besonders bevorzugt über wenigstens 80 %, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 90 % der Breite und höchst bevorzugt über die gesamte Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs. In dem letztgenannten Fall erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung also durchgehend von einer Längsschmalseite zu der anderen Längsschmalseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, so dass in dem Bereich der Vertiefung an jeder beliebigen Stelle der Breitseite vorliegende Luft über die Vertiefung schnell und effizient abgeführt werden kann.
Um die vorstehend genannten Effekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen, muss die wenigstens eine Vertiefung der Oberflächenprofilierung der wenigstens einen Flachseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs nicht zwingend genau senkrecht zu der Längsrichtung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, d.h. in der Breitenrichtung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, orientiert sein. Vielmehr kann die Vertiefung auch schräg zu der Breitenrichtung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs orientiert sein und zum Beispiel in einem um 60° gegenüber der Breitenrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs geneigten Winkel verlaufen. Dies deshalb, weil es zum Erreichen der vorstehend genannten Effekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht auf die exakte Ausrichtung und Orientierung der wenigstens einen Vertiefung ankommt, sondern darauf, dass die wenigstens eine Vertiefung so ausgebildet und angeordnet ist, dass diese zur Beschleunigung der Abfuhr von Luft einen sich über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs hinweg erstreckenden Pfad für das Abführen von auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs vorliegender Luft zu einer der Längsschmalseiten des bandförmigen Verbundwerkstoffes aufweist, wobei der Pfad der kürzer ist, als der Weg, den die Luft zu einem der längsseitigen Enden des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs zurücklegen müsste. Dennoch ist es bevorzugt, dass die wenigstens eine Vertiefung in Bezug auf die Breitenrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs einen möglichst geringen Winkel aufweist, weil der durch die Vertiefung gebildete Pfad von der Mitte des Verbundwerkstoffs zu dessen Längsschmalseite(n) so besonders kurz ist.
Deshalb wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Vertiefung – in Bezug auf die Breitenrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs – in einem Winkel von weniger als 90°, bevorzugt von maximal 60°, weiter bevorzugt von maximal 45°, besonders bevorzugt von maximal 30°, ganz besonders bevorzugt von maximal 15° und höchst bevorzugt von 0° verläuft bzw. – in Bezug auf die Längsrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs – in einem Winkel von weniger als 0°, bevorzugt von wenigstens 30°, weiter bevorzugt von wenigstens 45°, besonders bevorzugt von wenigstens 60°, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 75° und höchst bevorzugt von 90° verläuft. In dem Fall, dass sich die wenigstens eine Vertiefung nicht exakt senkrecht zu der Längsrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs erstreckt, wird unter einer Erstreckung der Vertiefung über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs verstanden, dass die auf die Breite des bandförmigen Verbundwerkstoffs projizierte Länge der Vertiefung ausgehend von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen Verbundwerkstoffs wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs beträgt.
Eine besonders effiziente Abfuhr von auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs vorliegender Luft wird gewährleistet, wenn die wenigstens eine Vertiefung der Oberflächenprofilierung der wenigstens einen Flachseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, im Querschnitt der Vertiefung betrachtet, an jeder Stelle ihrer Längserstreckung eine Tiefe von wenigstens 2,5 µm, bevorzugt von wenigstens 5 µm, weiter bevorzugt von wenigstens 7,5 µm, besonders bevorzugt von wenigstens 10 µm, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 12,5 µm und höchst bevorzugt von wenigstens 15 µm, wie beispielsweise von etwa 20 µm, aufweist. Derartige Vertiefungen sind besonders geeignet, um in der Oberflächenprofilierung des Verbundwerkstoffs geschlossene oder zumindest weitgehend geschlossene Hohlräume zu vermeiden, wenn zwei Abschnitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aufeinander laminiert werden, und so eine effiziente Luftabführung zu gewährleisten. Die Tiefe der Vertiefung ist dabei definiert als der Abstand zwischen dem – im Querschnitt der Vertiefung betrachtet – tiefsten Punktes der Vertiefung und dem höchsten Punkt des die Vertiefung umgebenden Bereichs, wobei der höchste Punkt des die Vertiefung umgebenden Bereichs der höchste Punkt des den vorgenannten tiefsten Punkt kreisförmig mit einem Radius von 1 cm umgebenden Bereichs der Oberfläche der Profilierung der Flachseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs ist.
Nach oben ist die Tiefe nicht begrenzt, wobei es jedoch im Allgemeinen ausreichend ist, wenn die wenigstens eine Vertiefung der Oberflächenprofilierung der wenigstens einen Flachseite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, im Querschnitt der Vertiefung betrachtet, an jeder Stelle ihrer Längserstreckung eine Tiefe von maximal 100 µm, bevorzugt von maximal 50 µm und besonders bevorzugt von maximal 25 µm aufweist.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Vertiefung jede beliebige Querschnittsform aufweisen, also beispielsweise auch eine polygonale Querschnittsform. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn die wenigstens eine Vertiefung einen u-förmigen, v-förmigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Vertiefung der Oberflächenprofilierung, bezogen auf die Grundebene der Oberflächenprofilierung, von wenigstens zwei Erhebungen umgeben. Dabei bezeichnet der Begriff Grundebene diejenige am weitesten in der Richtung der Oberfläche des Bandes gelegene horizontale Ebene, die durch die gesamte Querschnittsfläche des Bandes verläuft, ohne die Oberflächenprofilierung zu schneiden. Die Höhe einer Erhebung der Oberflächenprofilierung ist demnach der Abstand der obersten, d.h. in Höhenrichtung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs am weitesten außen gelegenen, Stelle der Erhebung von der der lotrecht darunter liegenden Stelle der Grundebene des Bandes definiert.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die wenigstens zwei Erhebungen regelmäßig angeordnet. Eine solche Oberflächenprofilierung gewährleistet eine zuverlässig und gleichmäßige Luftabführung über die gesamte Oberfläche des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs. Außerdem wird es dadurch gewährleistet, dass mehrere übereinander angeordnete Abschnitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs ineinander greifen, wodurch eine zuverlässig Lagefixierung der in die gewünschte Position gebrachten Schichten gewährleistet und ein unkontrolliertes Verrutschen der Schichten gegeneinander zuverlässig vermieden wird. Beispielsweise können die Erhebungen bei dieser Ausführungsform in einem periodischen Muster zueinander angeordnet sein. Ebenso kann die wenigstens eine Vertiefung bzw. die Oberflächenprofilierung insgesamt ein periodisches Muster bilden.
Eine effiziente und im Wesentlichen überall gleichmäßige Luftabführung wird insbesondere erreicht, wenn die Oberflächenprofilierung 1 bis 2000, bevorzugt 5 bis 1000, besonders bevorzugt 10 bis 500, ganz besonders bevorzugt 30 bis 300 und höchst bevorzugt 50 bis 200 Erhebungen pro cm² Fläche, wie beispielsweise etwa 100 Erhebungen pro cm² Fläche, aufweist.
Eine für die Luftabführung besonders geeignete Oberflächenprofilierung, welche zudem einfach herzustellen ist, und ein wirksames Ineinandergreifen von übereinander angeordneten Schichten des bandförmigen Verbundwerkstoffs werden zudem erreicht, wenn zumindest ein Teil der Erhebungen ellipsoidförmig und besonders bevorzugt zumindest im Wesentlichen halbkugelförmig ausgestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es ganz besonders bevorzugt, dass die Erhebungen in der Form einer zweidimensionalen hexagonalen oder kubischen Kugelschicht und bevorzugt einer zweidimensionalen hexagonalen oder kubischen dichtesten Kugelschicht angeordnet sind. In dem Fall einer zweidimensionalen hexagonalen dichtesten Kugelschicht ist jede Erhebung von sechs nächstgelegenen Nachbarerhebungen umringt, die, in der Ebene parallel zu der Flachseite betrachtet, alle im Wesentlichen denselben Abstand von dieser Erhebung aufweisen. In dem Fall einer zweidimensionalen kubischen dichtesten Kugelschicht sind die Erhebungen in einem Quadratmuster angeordnet, d.h. jede Erhebung ist von acht nächstgelegenen Nachbarerhebungen umringt.
Besonders vorteilhafte Luftabführungs- und Lagefixierungseigenschaften des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs werden auch erzielt, wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen und/oder Vertiefungen der Oberflächenprofilierung des bandförmigen Verbundwerkstoffs zwischen 0,1 und 50 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 mm und 2,5 mm beträgt.
Bevorzugt weist die Oberflächenprofilierung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs betrachtet, zumindest abschnittsweise eine periodische Form auf. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente und überall gleichmäßige Luftabführung und ein gutes Ineinandergreifen zwischen übereinander angeordneten Schichten des Verbundwerkstoffs erreicht, so dass Abschnitte des so ausgestalteten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs in verschiedenen relativen Orientierungen zueinander unter wirksamer Fixierung der relativen Lage der Abschnitte zueinander aufeinander laminiert werden können. Die Oberflächenprofilierung kann dabei bevorzugt im Wesentlichen sinusförmig ausgestaltet sein, kann aber auch eine andere periodische Form aufweisen, wie beispielsweise eine periodische Wellenform oder eine periodische Mäanderform.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann die Periode der periodischen Form der Oberflächenprofilierung beispielsweise zwischen 0,1 und 50 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 mm betragen.
Alternativ dazu oder zusätzlich dazu kann die Amplitude der periodischen Form der Oberflächenprofilierung beispielsweise wenigstens 1,25 µm, bevorzugt wenigstens 2.5 µm, weiter bevorzugt wenigstens 3,75 µm, besonders bevorzugt wenigstens 5 µm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 6,25 µm und höchst bevorzugt wenigstens 7,5 µm betragen. Als Amplitude wird in diesem Zusammenhang der halben Abstand zwischen dem – in der Höhenrichtung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs betrachtet – höchsten und tiefsten Punkt einer Periode der Oberflächenprofilierung bezeichnet.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform, bei welcher die Oberflächenprofilierung, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs betrachtet, zumindest abschnittsweise eine periodische Form aufweist, kann die Oberflächenprofilierung prinzipiell auch zumindest abschnittsweise eine nicht-periodische Form aufweisen. Unabhängig davon, ob die Oberflächenprofilierung, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs betrachtet, zumindest abschnittsweise eine periodische Form oder nicht-periodische Form aufweist, werden gute Ergebnisse erzielt, wenn die Oberflächenprofilierung, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs betrachtet, zumindest abschnittsweise sinusförmig, zick-zack-förmig, wellenförmig, wie beispielsweise rechteckwellenförmig, oder mäanderförmig ausgestaltet ist, wobei eine sinusförmige Ausgestaltung der Vertiefung besonders bevorzugt ist.
Grundsätzlich kann die in dem bandförmigen faserverstärkten Material vorgesehene Faserstruktur jede dem Fachmann bekannte Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die Faserstruktur aus der Gruppe ausgewählt sein, welche aus Vliesen, Gelegen, Geweben, Gewirken, Gestricken, Filzen und beliebigen Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Strukturen besteht. Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erzielt, wenn die Faserstruktur eine unidirektionale Faserstruktur ist. Besonders bevorzugte Beispiele für eine solche unidirektionale Faserstruktur sind unidirektionale Gelege und unidirektionale Gewebe. Derartige Faserstrukturen eignen sich besonders zur Herstellung von bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit einer hohen mechanischen Belastbarkeit, und zwar insbesondere in Faserlängsrichtung.
Ein vielseitig einsetzbarer bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wird beispielsweise erreicht, wenn die Faserstruktur aus Faser(n) zusammengesetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist/sind, welche aus Carbonfasern, Keramikfasern, Glasfasern und beliebigen Kombinationen von zwei oder mehr der vorgenannten Fasern besteht. Besonders bevorzugt ist die Faserstruktur aus Carbonfasern zusammengesetzt, weil diese eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweisen.
Vorzugsweise liegen die Fasern in der Faserstruktur in der Form von Endlosfasern vor. Dabei kann der Durchmesser der Faser(n) 0,1 bis 100 µm, bevorzugt 0,5 bis 50 µm und besonders bevorzugt 1 bis 10 µm liegen und kann beispielsweise etwa 7 µm betragen.
Eine geeignete Faserstruktur weist vorzugsweise ein Faserflächengewicht in einem Bereich zwischen 5 und 1000 g/m², besonders bevorzugt zwischen 20 und 500 g/m², ganz besonders bevorzugt zwischen 35 und 350 g/m² und höchst bevorzugt zwischen 50 und 200 g/m² auf.
Besonders gute Eigenschaften des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs werden zudem erzielt, wenn dieser einen Faservolumengehalt zwischen mehr als 0 % und 70 %, bevorzugt zwischen 20 % und 70 %, besonders bevorzugt zwischen 30 % und 70 %, ganz besonders bevorzugt zwischen 40 % und 60 % und höchst bevorzugt zwischen 45 % und 55 % aufweist. Beispielsweise weist ein bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff mit einem Faservolumengehalt von etwa 50 % gleichzeitig eine gute mechanische Flexibilität und Belastbarkeit auf. Der Faservolumengehalt bezeichnet dabei den Anteil des von dem Fasermaterial ausgefüllten Volumens am Gesamtvolumen des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs.
Ferner weist der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,01 mm und 1 cm, weiter bevorzugt zwischen 0,03 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 1 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,5 mm und höchst bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm auf.
Die Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 10 m, bevorzugt zwischen 10 mm und 1 m, besonders bevorzugt zwischen 100 mm und 100 cm, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 cm und 50 cm und höchst bevorzugt zwischen 10 cm und 30 cm liegen, wobei beispielsweise eine Breite von etwa 20 cm zu einem besonders vielseitig einsetzbaren bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff führt.
Abhängig von der konkreten Verwendung des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs kann dieser ein Flächengewicht zwischen 10 und 2000 g/m², bevorzugt zwischen 40 und 1000 g/m², besonders bevorzugt zwischen 70 und 700 g/m² und ganz besonders bevorzugt zwischen 100 und 400 g/m² aufweisen.
Vorzugsweise besteht das Matrixmaterial des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus einem Thermoplast oder aus einer Mischung aus zwei oder mehr Thermoplasten, d.h. die Matrix weist außer einem oder mehr Thermoplasten keinen weiteren Bestandteil und insbesondere keinen Duroplast und kein Elastomer auf. Geeignete Thermoplasten umfassen zum Beispiel Polyester, Polyolefine, Polyamide, Polystyrole, Polyvinylchloride, Polyacrylnitrile, Polyacrylate, Polycarbonate, Polyetherketone, Polyethersulfone, Polysulfone, Polyimide, Polyvinylacetale und Acrylnitril-Butadien-Styrole.
Besonders günstige Eigenschaften des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs werden erreicht, wenn dieser im Wesentlichen vollständig imprägniert ist. Zu diesem Zweck weist der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff vorzugsweise einen Porengehalt von höchstens 15 %, bevorzugt von höchstens 10 %, besonders bevorzugt von höchstens 7 %, ganz besonders bevorzugt von höchstens 5 % und höchst bevorzugt von höchstens 3 % auf. Dabei wird der Porengehalt gemäß der DIN EN 2564 gemessen. Dementsprechend ist die profilierte Oberfläche der wenigstens einen Flachseite zumindest im Bereich der wenigstens einen Vertiefung bevorzugt zumindest im Wesentlichen vollständig durch das Matrixmaterial des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs gebildet.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Laminat, welches wenigstens zwei übereinander liegende Schichten eines zuvor beschriebenen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer Faserstruktur,
b) Imprägnieren der Faserstruktur mit einem Matrixmaterial, welches wenigstens einen Thermoplasten umfasst, und
c) Vorsehen einer Oberflächenprofilierung in der Oberfläche wenigstens einer der Flachseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, wobei die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, die sich von einer der Längsschmalseiten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs erstreckt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein wie vorstehend beschriebener erfindungsgemäßer bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff hergestellt werden. Die hier in Bezug auf den bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten entsprechend auch für das Verfahren.
Um eine besonders gleichmäßige Faserstruktur insbesondere im Hinblick auf die Faserdichte, die Faserverteilung und die Faserausrichtung zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die Faserstruktur vor dem Imprägnieren zu spreizen. Unter Spreizen der Faserstruktur wird dabei verstanden, dass die Faserstruktur, wie beispielsweise ein Faserroving, in ihrer Breitenrichtung verbreitert wird, d.h. auf einen breiteren Querschnitt gebracht wird. Durch eine solche Spreizung lässt sich die Verteilung der Fasern in der Faserstruktur vergleichmäßigen und der Ausrichtungsgrad der Fasern in der Längsrichtung der Faserstruktur erhöhen. Die Spreizung kann dabei so durchgeführt werden, dass die Breite der Faserstruktur um wenigstens 30 %, bevorzugt um wenigstens 50 %, besonders bevorzugt um wenigstens 100 %, ganz besonders bevorzugt um wenigstens 150 % und höchst bevorzugt um wenigstens 200 % – bezogen auf die ursprünglichen Breite – erhöht wird.
Der wenigstens eine Thermoplast wird vor dem Imprägnieren der Faserstruktur mit dem Thermoplast bevorzugt beidseitig auf die Faserstruktur aufgebracht. Dabei kann der wenigstens eine Thermoplast mit Vorteil vor dem Imprägnieren als Pulver oder Granulat auf die Faserstruktur aufgestreut werden, und zwar beispielsweise mit einem Pulverstreuer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der beispielsweise als Pulver oder Granulat aufgebrachte Thermoplast vor dem Imprägnieren angeschmolzen, d.h. es wird nur kurz die Oberfläche der Thermoplastpartikel angeschmolzen, so dass die Thermoplastpartikel bei dem anschließendem Abkühlen an die Faserstrukturoberfläche anhaften und dadurch auf der Faserstruktur fixiert werden. Ein solches Anschmelzen kann besonders gut in einem Strahlungsfeld, wie zum Beispiel in einem Infrarot-Strahlungsfeld, erreicht werden, weil dieses eine besonders schnelle und gut dosierte Erwärmung ermöglicht.
Das Imprägnieren der Faserstruktur mit dem Thermoplasten gemäß dem Verfahrensschritt b) kann grundsätzlich auf jede zum Imprägnieren bekannte Weise erfolgen, wie beispielsweise durch Pultrusion, bei welcher die Faserstruktur durch eine mit dem Thermoplasten gefüllte Düse gezogen wird. Alternativ dazu kann das Imprägnieren auch mit Doppelbandpressen, insbesondere Hoch- und/oder Niederdruckdoppelbandpressen, erfolgen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, das Imprägnieren der Faserstruktur mit dem Thermoplasten durch Kalandrierung zu erreichen, also indem die Faserstruktur durch ein Kalanderwerkzeug, welches ein oder mehrere Kalanderwalzenpaare umfasst, geführt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Einbringen der Oberflächenprofilierung in die Oberfläche der wenigstens einen Flachseite des bandförmigen Verbundwerkstoffs, dass ein oberflächenprofiliertes Presswerkzeug gegen die Oberfläche des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs gepresst wird. Die Strukturierung wird dabei durch das Presswerkzeug erreicht. Dabei kann das Presswerkzeug ein Walzenpaar, eine Pressplatte, ein Pressstempel, ein Pressband, eine Presseinlage oder ein Presspapier umfassen.
Die vorgenannten Verfahrensschritte a), b) und c) des Bereitstellens der Faserstruktur, des Imprägnierens der Faserstruktur mit dem Thermoplasten und des Einbringens der Oberflächenprofilierung können sowohl in einem kontinuierlichen als auch in einem diskontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden. Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte und insbesondere die Verfahrensschritte b) und c) nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Oberflächenprofilierung gemäß dem Verfahrensschritt c) während dem Imprägnieren gemäß dem Verfahrensschritt b) in den bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff eingebracht, d.h. die Verfahrensschritte b) und c) finden gleichzeitig statt, und zwar beispielsweise durch Durchführen des Verbundwerkstoffs durch ein oder mehrere Walzenpaare.
Der vorstehend beschriebene bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff eignet sich hervorragend zur Herstellung von Laminaten durch Aufeinanderlegen und Verpressen mehrerer Abschnitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs, wobei aufgrund der beschriebenen Oberflächenprofilierung insbesondere das Austreiben von zwischen den Schichten vorliegenden Lufteinschlüssen erheblich schneller und zuverlässiger erfolgt als in bekannten Verbundwerkstoffen und ein unkontrolliertes Verrutschen der Bandabschnitte gegeneinander vermieden wird. Die auf diese Weise erhältlichen Laminate weisen deshalb vorteilhafte Eigenschaften auf und sind gleichzeitig besonders schnell und kostengünstig herstellbar.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Längsabschnitts eines erfindungsgemäßen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine perspektivische Ansicht des Ausschnitts A des erfindungsgemäßen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs von 1;
3 eine Draufsicht des Ausschnitts A der 1 und 2;
4 eine entlang der Linie I-I der 2 geschnittene Ansicht des Ausschnitts A der 1 bis 3;
5 eine Draufsicht eines anderen größeren Ausschnitts des erfindungsgemäßen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs gemäß dem Ausführungsbeispiel und
6 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs.
In der 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Längenabschnitts eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 gezeigt, der sich in der Längsrichtung x erstreckt und in der Breitenrichtung y von zwei Längsschmalseiten 12 und in der Höhenrichtung z des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 von zwei Flachseiten 14 begrenzt ist.
Die 2 und 3 zeigen eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht des Ausschnitts A des erfindungsgemäßen bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 der 1. Dabei zeigen die 2 und 3 insbesondere die profilierte Oberfläche einer der Flachseiten 14 des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10. Die bemaßten Koordinatenachsen in der Darstellung der 2 und 3 geben die Abmessungen in der Längsrichtung x, in der Breitenrichtung y und in der Höhenrichtung z des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 wieder.
Die Oberflächenprofilierung der Flachseite 14 weist eine Vertiefung 16 auf, die sich von einer (im Ausschnitt der 2 und 3 nicht dargestellten) Längsschmalseite 12 des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 erstreckt. Durch die Vertiefung 16 kann auf der Oberfläche 14 vorliegende Luft in der Breitenrichtung y und somit auf kurzem Wege und in dementsprechend kurzer Zeit zu den Längsschmalseiten 12 des Verbundwerkstoffs 10 abgeführt werden, auch wenn mehrere Abschnitte eines wie in der 2 gezeigten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 übereinander gelegt werden, wodurch ein Verpressen der Abschnitte zu einem Laminat mit verringertem Zeitaufwand und unter zuverlässiger Vermeidung von Lufteinschlüssen zwischen den verschiedenen, die Schichten des Laminats bildenden Abschnitten des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 ermöglicht wird.
Die Oberflächenprofilierung umfasst mehrere Erhebungen 18, welche die wenigstens eine Vertiefung 16 umgeben und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel regelmäßig angeordnet sind. Konkret sind die Erhebungen 18 im Wesentlichen ellipsoidförmig ausgebildet und sind in der Form einer zweidimensionalen hexagonalen Kugelschicht angeordnet, die zumindest annähernd einer zweidimensionalen hexagonalen dichtesten Kugelschicht entspricht, wie dies insbesondere auch in der Draufsicht der 3 und 5 erkennbar ist. Jede Erhebung 18 ist dabei von sechs weiteren, in einem Hexagon angeordneten Erhebungen 18 umringt, die alle zumindest annähernd den gleichen Abstand d von der zentralen Erhebung 18 aufweisen, wobei der Abstand d in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 2 mm beträgt.
In der 4 ist die Oberflächenprofilierung der 2 und 3 im Längsschnitt entlang der Linie I-I der 3 gezeigt. Wie in der 4 erkennbar, ist die Oberflächenprofilierung im Längsschnitt betrachtet annähernd sinusförmig ausgestaltet, wobei die Periode P der sinusförmigen Ausgestaltung etwa 2 mm und ihre Amplitude Q etwa 10 µm beträgt. Auch im (in den Figuren nicht eigens gezeigten) Querschnitt entlang der Breitenrichtung y weist die in den 2 und 3 gezeigte Oberflächenprofilierung zumindest annähernd eine Sinusform auf.
Die 5 zeigt eine Draufsicht eines etwas größeren Ausschnitt der Oberflächenprofilierung der 2 bis 4, in der die regelmäßige hexagonale Anordnung der Erhebungen 18 ebenfalls erkennbar ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Oberflächenprofilierung ca. 60 Erhebungen pro cm² Fläche auf, wobei die Fläche auf die Flachebene des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 bezogen ist, d.h. auf die durch die Längsrichtung x und die Breitenrichtung y des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 aufgespannte Ebene.
Die in den 2 bis 5 gezeigte Oberflächenprofilierung eignet sich besonders gut, um zwischen zwei aufeinander laminierten Abschnitten eines wie in den 1 bis 5 dargestellten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 eingeschlossene Luft zu den Längsschmalseiten 12 (1) und somit aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Abschnitten schnell und zuverlässig abzuführen, und zwar gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Flachseite 14. In der 3 sind beispielhaft mehrere Pfade 20 gezeigt, über den die Luft aus der Mitte des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 zu den Längsschmalseiten 12 gelangen kann.
Die in den 2 bis 5 gezeigte Oberflächenprofilierung eignet sich außerdem dazu, mehrere Abschnitte eines wie in den 1 bis 5 gezeigten bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 aufeinander zu fixieren, wenn diese mit ihren Flachseiten 14 übereinander gelegt werden, da die regelmäßige Oberflächenprofilierungen der übereinander liegenden Flachseiten zumindest annähernd formschlüssig ineinander greifen, wodurch ein unkontrolliertes Verrutschen der beiden Abschnitte gegeneinander vermieden wird. Aufgrund der Form der Oberflächenprofilierung geraten die beiden Abschnitte dabei nicht nur dann zumindest annähernd formschlüssig in Eingriff, wenn die beiden Abschnitte parallel zueinander, d.h. bei paralleler Längsausrichtung, aufeinander gelegt werden, sondern auch dann, wenn die beiden Abschnitte in einer um 45° oder um 90° gegenüber der parallelen Ausrichtung um die Höhenrichtung z herum gedrehten Längsausrichtung aufeinander gelegt werden.
In der 6 ist eine Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs gezeigt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt. Über eine Abwickelrolle 22 wird eine Faserstruktur 24 bereitgestellt, welche auf ein erstes Transportband 26a aufgelegt wird, welches die Faserstruktur 24 durch die Anlage führt. Zwei Pulverstreuer 27 bringen den in Pulverform bereitgestellten Thermoplasten auf die Faserstruktur 24 auf, und zwar zum einen durch direktes Bestreuen der Oberseite der Faserstruktur 24 mit dem Thermoplastpulver und zum anderen indirekt durch Bestreuten der Oberseite des ersten Transportbandes 26a mit dem Thermoplastpulver, bevor dieses Transportband 26a mit der Unterseite der Faserstruktur 24 in Kontakt kommt, so dass das Thermoplastpulver beidseitig auf die Faserstruktur 24 aufgebracht wird.
Die beidseitig mit dem Thermoplastpulver bedeckte Faserstruktur 24 wird dann in Förderrichtung in das Strahlungsfeld eines Infrarotstrahlers 28 geführt, wo die Partikel des Thermoplastpulvers durch das Strahlungsfeld so erwärmt und angeschmolzen werden, dass sie nach der nach dem Infrarotstrahler 28 stattfindenden Abkühlung infolge der Verfestigung der angeschmolzenen Partikeloberfläche an den Fasern der Faserstruktur 24 anhaften.
In der Förderrichtung stromabwärts des Infrarotstrahlers 28 wird ein zweites Transportband 26b von oben auf die Faserstruktur 24 geführt, so dass die Faserstruktur 24 zwischen den beiden Transportbändern 26a, 26b aufgenommen und geführt wird. In der Förderrichtung stromabwärts davon wird die Faserstruktur 24 durch ein Kalanderwerkzeug 30 geführt. Das Kalanderwerkzeug 30 umfasst vier Kalanderwalzen 32, welche zusammen drei Kalanderwalzenpaare 34 bilden, wobei die Faserstruktur 24 durch die Kalanderwalzenpaare 34 hindurchgeführt und dabei mit Wärme und Druck beaufschlagt wird, wodurch die Faserstruktur 24 mit dem Thermoplasten imprägniert wird. Das Kalanderwerkzeug 30 umfasst in der Förderrichtung stromabwärts davon noch ein weiteres Kalanderwalzenpaar 36, in dem die Faserstruktur 24 mit Druck und Kälte beaufschlagt wird, wodurch das die Faserstruktur 24 imprägnierende Thermoplast-Matrixmaterial verfestigt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Oberflächenprofilierung durch eine geeignete Form der Kalanderwalzenpaare 34, 36 in die Oberfläche des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs 10 eingebracht.
Schließlich werden die Transportbänder 26a, 26b von der Faserstruktur 24 entfernt und der fertige faserverstärkte Verbundwerkstoff 10 wird auf eine Aufwickelrolle 38 aufgewickelt.
Bezugszeichenliste

10: bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff
12: Längsschmalseite des Verbundwerkstoffs
14: Flachseite des Verbundwerkstoffs
16: Vertiefung der Oberflächenprofilierung
18: Erhebung der Oberflächenprofilierung
20: Pfad zur Luftabfuhr
22: Abwickelrolle
24: Faserstruktur
26a, b: Transportband
27: Pulverstreuer
28: Infrarotstrahler
30: Kalanderwerkzeug
32: Kalanderwalze
34, 36: Kalanderwalzenpaar
38: Aufwickelrolle
A: Ausschnitt
d: Abstand zwischen zwei Erhebungen
P: Periode
Q: Amplitude
x, y, z: Längs-, Breiten- und Höhenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 2564 [0035]

Claims

Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff (10), welcher eine Faserstruktur (24) umfasst, die mit einem Matrixmaterial imprägniert ist, welches wenigstens einen Thermoplasten enthält, wobei wenigstens eine der Flachseiten (14) des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) eine Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung (16) umfasst, die sich von einer der Längsschmalseiten (12) des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) erstreckt.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Vertiefung (16) von einer der Längsschmalseiten (12) des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) aus durchgehend über wenigstens 50 %, bevorzugt über wenigstens 70 %, besonders bevorzugt über wenigstens 80 %, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 90 % der Breite und höchst bevorzugt über die gesamte Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) erstreckt.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (16), im Querschnitt der Vertiefung (16) betrachtet, an jeder Stelle ihrer Längserstreckung eine Tiefe von wenigstens 2,5 µm, bevorzugt von wenigstens 5 µm, weiter bevorzugt von wenigstens 7,5 µm, besonders bevorzugt von wenigstens 10 µm, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 12,5 µm und höchst bevorzugt von wenigstens 15 µm aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (16) der Oberflächenprofilierung, bezogen auf die Grundebene der Oberflächenprofilierung, von wenigstens zwei Erhebungen (18) umgeben ist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Erhebungen (18) regelmäßig angeordnet sind.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung 1 bis 2000, bevorzugt 5 bis 1000, besonders bevorzugt 10 bis 500, ganz besonders bevorzugt 30 bis 300 und höchst bevorzugt 50 bis 200 Erhebungen (18) pro cm² Fläche aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Erhebungen (18) ellipsoidförmig und bevorzugt zumindest im Wesentlichen halbkugelförmig ausgestaltet ist und die Erhebungen (18) in der Form einer zweidimensionalen hexagonalen oder kubischen Kugelschicht und bevorzugt einer zweidimensionalen hexagonalen oder kubischen dichtesten Kugelschicht angeordnet sind.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen zwei benachbarten Erhebungen (18) und/oder Vertiefungen (16) zwischen 0,1 und 50 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 mm und 2,5 mm beträgt.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) betrachtet, zumindest abschnittsweise eine periodische Form aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode (P) der periodischen Form der Oberflächenprofilierung zwischen 0,1 und 50 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 mm beträgt.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Q) der periodischen Form der Oberflächenprofilierung wenigstens 1,25 µm, bevorzugt wenigstens 2.5 µm, weiter bevorzugt wenigstens 3,75 µm, besonders bevorzugt wenigstens 5 µm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 6,25 µm und höchst bevorzugt wenigstens 7,5 µm beträgt.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung, im Längsschnitt und/oder im Querschnitt des faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) betrachtet, zumindest abschnittsweise sinusförmig, zick-zack-förmig, wellenförmig oder mäanderförmig ausgestaltet ist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (24) eine unidirektionale Faserstruktur und bevorzugt ein unidirektionales Gelege oder ein unidirektionales Gewebe ist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (24) aus Faser(n) zusammengesetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist/sind, welche aus Carbonfasern, Keramikfasern, Glasfasern und beliebigen Kombinationen von zwei oder mehr der vorgenannten Fasern besteht.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (24) ein Faserflächengewicht zwischen 5 und 1000 g/m², bevorzugt zwischen 20 und 500 g/m², besonders bevorzugt zwischen 35 und 350 g/m² und ganz besonders bevorzugt zwischen 50 und 200 g/m² aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff (10) einen Faservolumengehalt zwischen mehr als 0 % und 70 %, bevorzugt zwischen 20 % und 70 %, besonders bevorzugt zwischen 30 % und 70 %, ganz besonders bevorzugt zwischen 40 % und 60 % und höchst bevorzugt zwischen 45 % und 55 % aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff (10) eine Dicke zwischen 0,01 mm und 1 cm, bevorzugt zwischen 0,03 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 1 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,5 mm und höchst bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff (10) eine Breite zwischen 1 mm und 10 m, bevorzugt zwischen 10 mm und 1 m, besonders bevorzugt zwischen 100 mm und 100 cm, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 cm und 50 cm und höchst bevorzugt zwischen 10 cm und 30 cm aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff (10) ein Flächengewicht zwischen 10 und 2000 g/m², bevorzugt zwischen 40 und 1000 g/m², besonders bevorzugt zwischen 70 und 700 g/m² und ganz besonders bevorzugt zwischen 100 und 400 g/m² aufweist.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial aus einem Thermoplast oder einer Mischung aus zwei oder mehr Thermoplasten besteht.
Bandförmiger faserverstärkter Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige faserverstärkte Verbundwerkstoff (10) einen Porengehalt von höchstens 15 %, bevorzugt höchstens von 10 %, besonders bevorzugt von höchstens 7 %, ganz besonders bevorzugt von höchstens 5 % und höchst bevorzugt von höchstens 3 % aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10), welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Faserstruktur (24), b) Imprägnieren der Faserstruktur (24) mit einem Matrixmaterial, welches wenigstens einen Thermoplasten umfasst, und c) Vorsehen einer Oberflächenprofilierung in der Oberfläche wenigstens einer der Flachseiten (14) des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10), wobei die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung (16) umfasst, die sich von einer der Längsschmalseiten (12) des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) aus durchgehend über wenigstens 30 % der Breite des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (24) vor dem Imprägnieren gespreizt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Thermoplast vor dem Imprägnieren als Pulver auf die Faserstruktur (24) aufgestreut wird und danach vorzugsweise in einem Strahlungsfeld angeschmolzen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (24) durch ein Kalanderwerkzeug (30) geführt wird, um die Faserstruktur (24) mit dem Thermoplasten zu imprägnieren.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Oberflächenprofilierung umfasst, dass ein oberflächenprofiliertes Presswerkzeug (26a, 26b, 34, 36) gegen die Oberfläche des bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoffs (10) gepresst wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung gemäß dem Schritt c) während des Imprägnierens gemäß dem Schritt b) in den bandförmigen faserverstärkten Verbundwerkstoff (10) eingebracht wird.