DE102013012593A1 - Process for the production of thermoplastic composite components - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit einer thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix mit einem Kernelement vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst:
(a) Bereitstellen eines Kernelementes mit oberflächig an dem Kernelement angeordneten Vertiefungen;
(b) Überführen des mit den oberflächigen Vertiefungen versehenen Kernelementes in ein Formwerkzeug;
(c) Einbringen einer flüssigen Reaktionsmischung mit einem zur Bildung der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix des Verbundbauteils geeigneten, flüssigen Monomer, Dimer oder Oligomer in Gegenwart eines Katalysators und/oder Aktivators in das Formwerkzeug, wobei die oberflächigen Vertiefungen des Kernelementes mit der flüssigen Reaktionsmischung infiltriert werden;
(d) Polymerisieren des flüssigen Mono-, Di- oder Oligomers zu der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix; und
(e) Entnehmen des Verbundbauteils aus dem Formwerkzeug.A method is proposed for producing a composite component with a thermoplastic or thermoelastic polymer matrix having a core element, which comprises the following steps:
(A) providing a core element with recesses arranged superficially on the core element;
(b) transferring the core element provided with the surface depressions into a molding tool;
(c) introducing a liquid reaction mixture having a liquid monomer, dimer or oligomer suitable for forming the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix of the composite component in the presence of a catalyst and / or activator into the mold, wherein the surface depressions of the core element are infiltrated with the liquid reaction mixture ;
(d) polymerizing the liquid mono-, di- or oligomer to the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix; and
(e) removing the composite component from the mold.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit einer thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix mit wenigstens einem Kernelement.The invention relates to a method for producing a composite component with a thermoplastic or thermoelastic polymer matrix having at least one core element.
Derartige thermoplastische oder thermoelastische Verbundbauteile finden beispielsweise als Leichtbauteile und/oder als stoßabsorbierende Teile in Form von Karosserie- und Innenverkleidungsteilen von Fahrzeugen und Flugzeugen verbreitet Verwendung, wobei es sich bei dem Kernelement insbesondere Schaumkerne handelt kann. Die Herstellung derartiger Verbundteile geschieht üblicherweise mittels Spritzgießverfahren, wobei das Kernelement in ein Formwerkzeug eingelegt und mit dem plastifizierten, schmelzflüssigen thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer hinter- bzw. umspritzt wird. Darüber hinaus können derartige Verbundbauteile durch Heißpressen erzeugt werden.Such thermoplastic or thermoelastic composite components are widely used, for example, as lightweight components and / or as shock-absorbing parts in the form of body and interior trim parts of vehicles and aircraft, wherein the core element may be, in particular, foam cores. The production of such composite parts is usually done by means of injection molding, wherein the core element is inserted into a mold and behind or overmoulded with the plasticized, molten thermoplastic or thermoelastic polymer. In addition, such composite components can be produced by hot pressing.
Als problematisch kann sich einerseits eine mangelnde Anhaftung der Polymermatrix an dem jeweiligen Kernelement erweisen, weshalb das eingesetzte Polymer (bzw. der eingesetzte Polymer-Blend) mit dem Kernmaterial verträglich sein muss, andernfalls es zu Delaminierungen kommen kann. Darüber hinaus sind der geometrischen Struktur des Kernelementes Grenzen gesetzt, wobei insbesondere relativ feine Oberflächenstrukturen des Kernelementes Gefahr laufen, nicht bzw. nicht vollständig mit der plastifizierten Polymermatrix benetzt zu werden, so dass sich wiederum die Gefahr von Delaminierungen ergibt. Andererseits erweisen sich derartige Oberflächenstrukturen allerdings in Bezug auf eine hohe Festigkeit und Zähigkeit gattungsgemäßer Verbundbauteile als vorteilhaft, weil es zu einem Formschluss zwischen dem Kernelement und der erstarrten Polymermatrix kommt.On the one hand, a lack of adhesion of the polymer matrix to the respective core element can prove problematic, which is why the polymer used (or the polymer blend used) must be compatible with the core material, otherwise delaminations can occur. In addition, the geometric structure of the core element limits, in particular relatively fine surface structures of the core element run the risk of not or not completely wetted with the plasticized polymer matrix, so that in turn results in the risk of delamination. On the other hand, such surface structures, however, prove to be advantageous in terms of high strength and toughness of generic composite components, because it comes to a positive connection between the core element and the solidified polymer matrix.
Auf dem Gebiet der Verfahren zur Verarbeitung von duroplastischen Harzen zur vernetzten Polymeren sind ferner Gießverfahren bekannt, bei welchen Kernelemente, wie beispielsweise Schaumstoffe, sowie Fasermatten mit reaktiven Harzen, insbesondere Epoxidharzen, imprägniert und die Harze mittels geeigneter Vernetzungsmittel ausgehärtet werden, um die duroplastische Polymermatrix zu bilden. Derartige Verfahren bieten sich zur Herstellung von hoch belastbaren und dauerhaften, insbesondere großformatigen Formteilen an, wie z. B. Rotorblättern für Windkraftanlagen und dergleichen (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit einer thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix mit wenigstens einem Kernelement auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile zumindest weitestgehend vermieden werden können.The invention has the object of developing a method for producing a composite component with a thermoplastic or thermoelastic polymer matrix having at least one core element in a simple and cost-effective manner to the effect that the aforementioned disadvantages can be at least largely avoided.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Bereitstellen wenigstens eines Kernelementes mit oberflächig an dem Kernelement angeordneten Vertiefungen;
- (b) Überführen des mit den oberflächigen Vertiefungen versehenen Kernelementes in ein Formwerkzeug;
- (c) Einbringen einer flüssigen Reaktionsmischung mit wenigstens einem zur Bildung der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix des Verbundbauteils geeigneten, flüssigen Monomer, Dimer und/oder Oligomer in Gegenwart wenigstens eines Katalysators und/oder Aktivators in das Formwerkzeug, wobei die oberflächigen Vertiefungen des Kernelementes mit der flüssigen Reaktionsmischung infiltriert werden;
- (d) Polymerisieren des flüssigen Mono-, Di- und/oder Oligomers zu der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix; und
- (e) Entnehmen des Verbundbauteils aus dem Formwerkzeug.
- (A) providing at least one core element with recesses superficially arranged on the core element;
- (b) transferring the core element provided with the surface depressions into a molding tool;
- (c) introducing into the mold a liquid reaction mixture having at least one liquid monomer, dimer and / or oligomer suitable for forming the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix of the composite component in the presence of at least one catalyst and / or activator, wherein the surface depressions of the core element coincide with the liquid reaction mixture are infiltrated;
- (d) polymerizing the liquid mono-, di- and / or oligomer to the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix; and
- (e) removing the composite component from the mold.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von dauerhaften und stabilen Verbundbauteilen, welche aufgrund ihrer thermoplastischen oder – im Falle eine thermoplastischen Elastomers – thermoelastischen Eigenschaften umweltfreundlich und leicht recyclebar sind, so dass sie sich insbesondere auch für verhältnismäßig kurzlebige Wirtschaftsgüter anbieten. Aufgrund des Einsatzes der niedermolekularen, flüssigen Mono-, Di- und/oder Oligomeren anstelle eines plastifizierten Polymers mit langen Molekülketten und die damit einhergehende, demgegenüber deutlich geringere Viskosität lassen sich auch sehr schmale Vertiefungen in der Oberfläche des Kernelementes mit der Reaktionsmischung benetzen, wonach das Polymer in situ durch Polymerisation der Mono-, Di- und/oder Oligomere erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine vollflächige und insbesondere formschlüssige Verbindung zwischen dem Kernelement und der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix erreicht. Darüber hinaus können die Fließwege der nur sehr gering viskosen Reaktionsmischung deutlich länger gewählt werden als im Falle des Auf- bzw. Umspritzens eines Kernelementes mit einem plastifizierten Polymer, so dass einerseits die Vertiefungen des Kernelementes sehr eng und/oder tief ausgebildet werden können, um für eine große Kontaktfläche zwischen dem Kernelement und der Polymermatrix zu sorgen, andererseits die Herstellung relativ großformatiger thermoplastischer oder thermoelastischer Formteile mit komplexer Geometrie möglich wird. Da die Polymerisation der Mono-, Di- und/oder Oligomere bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des erzeugten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymers vonstatten geht, erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen thermoplastischen Verarbeitungsverfahren überdies als energieeffizienter und unterliegt das Polymer keiner potentiell schädlichen thermischen Beanspruchung während der Herstellung des Verbundbauteils, so dass sich verbesserte Materialeigenschaften erzielen lassen.The inventive method allows the production of durable and stable composite components, which are environmentally friendly and easily recyclable due to their thermoplastic or - in the case of a thermoplastic elastomer - thermoelastic properties, so that they offer especially for relatively short-lived assets. Due to the use of low molecular weight, liquid mono-, di- and / or oligomers instead of a plasticized polymer with long molecular chains and the concomitant, contrast, significantly lower viscosity can also very narrow depressions in the surface of the core element with the reaction mixture wet, after which Polymer is generated in situ by polymerization of mono-, di- and / or oligomers. In this way, a full-surface and in particular positive connection between the core element and the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix is achieved. In addition, the flow paths of the only very slightly viscous reaction mixture can be chosen to be significantly longer than in the case of over or overmolding a core element with a plasticized polymer, so that on the one hand the recesses of the core element can be formed very narrow and / or deep to provide a large contact surface between the core element and the polymer matrix, on the other hand, the production of relatively large-sized thermoplastic or thermoelastic molded parts with complex geometry becomes possible. Moreover, because the polymerization of the mono-, di- and / or oligomers occurs at a temperature below the melting temperature of the thermoplastic or thermoelastic polymer produced, the process of the present invention is more energy efficient than conventional thermoplastic processing techniques and the polymer is not susceptible to potentially damaging thermal stress the production of the composite component, so that can achieve improved material properties.
Wie bereits angedeutet, kann hinsichtlich der Herstellung von leichten, aber gleichwohl stabilen Verbundbauteilen in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein Kernelement mit einem Material, welches ein geringeres Raumgewicht und/oder eine geringere Dichte aufweist als die thermoplastische oder thermoelastische Polymermatrix, eingesetzt wird. Bevorzugte Beispiele solcher Materialien für die eingesetzten Kernelemente umfassen insbesondere Papier, Karton und Verbundmaterialien hieraus, Polymerschaum, Metallschaum, insbesondere Leichtmetallschaum, wie beispielsweise Aluminiumschaum oder dergleichen, Holz und Kork, welche zusätzlich zu den oberflächig in das Kernelement eingebrachten Vertiefungen eine offenporige Struktur besitzen können, welche ihrerseits vollflächig mit der niedrigviskosen Reaktionsmischung benetzt werden kann.As already indicated, with regard to the production of lightweight but nevertheless stable composite components, it can be provided in an advantageous embodiment that a core element with a material which has a lower density and / or a lower density than the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix is used. Preferred examples of such materials for the core elements used include in particular paper, board and composite materials thereof, polymer foam, metal foam, in particular light metal foam, such as aluminum foam or the like, wood and cork, which may have an open-pore structure in addition to the depressions introduced into the core element in a surface, which in turn can be wetted over its entire area with the low-viscosity reaction mixture.
Aufgrund des Einsatzes der flüssigen Mono-, Di- und/oder Oligomere ist es insbesondere möglich, dass zumindest einige der oberflächigen Vertiefungen des Kernelementes mit einer Breite von kleiner 2 mm, insbesondere von kleiner 1 mm, ausgebildet werden, wobei die oberflächigen Vertiefungen des Kernelementes ferner in Form von Nuten und/oder Bohrungen, insbesondere mit Hinterschnitt, ausgebildet werden können, um für eine flächige, dauerhafte Anbindung der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix an das Kernelement zu sorgen. Der Geometrie der Nuten bzw. Bohrungen sind dabei praktisch keine Grenzen gesetzt, wobei die Nuten beispielsweise in Form von Linien, Kreisen, Ellipsen, Drei-, Vier- oder Mehrecken ausgestaltet sein oder die Bohrungen eine derartige Querschnittsform besitzen können. Die Nuten und/oder Bohrungen können sich dabei vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Kernelementes erstrecken und eine Art Rippenstruktur bilden, in welche die thermoplastische oder thermoelastische Polymermatrix des Verbundbauteils eingreift. Letztere stellt eine mechanische Verstärkung des Kernmaterials in bezug auf seine Festigkeit und Steifigkeit dar, ohne das Gesamtgewicht des Verbundbauteils insgesamt nennenswert zu erhöhen.Due to the use of the liquid mono-, di- and / or oligomers, it is possible, in particular, for at least some of the surface depressions of the core element to be formed with a width of less than 2 mm, in particular less than 1 mm, the surface depressions of the core element Furthermore, in the form of grooves and / or holes, in particular with undercut, can be formed in order to ensure a flat, permanent connection of the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix to the core element. The geometry of the grooves or holes are practically no limits, the grooves may be configured for example in the form of lines, circles, ellipses, three, four or mehrecks or the holes may have such a cross-sectional shape. The grooves and / or bores may preferably extend substantially over the entire surface of the core element and form a kind of rib structure, in which engages the thermoplastic or thermoelastic polymer matrix of the composite component. The latter represents a mechanical reinforcement of the core material in terms of its strength and rigidity, without appreciably increasing the overall weight of the composite component as a whole.
Als Matrixpolymer des Verbundbauteils bieten sich im Prinzip beliebige thermoplastische oder thermoelastische Polymere an, deren Mono-, Di- oder Oligomere entweder flüssig vorliegen oder durch Erwärmen in den flüssigen Zustand überführt werden können und deren Viskosität geringer ist als die des entsprechenden, in den schmelzflüssigen Zustand überführten Polymers. Lediglich beispielhaft sei in diesem Zusammenhang Methacrylsäuremethylester genannt, welches zu Polymethylmethacrylat (PMMA) polymerisiert werden kann. Um die Viskosität der Reaktionsmischung weiter herabzusetzen, kann es überdies von Vorteil sein, wenn die Reaktionsmischung vor dem Überführen in das Formwerkzeug vorgewärmt wird, wobei in diesem Fall insbesondere auch bei Raumtemperatur feste Mono-, Di- und/oder Oligomere eingesetzt werden können, welche geschmolzen und im geschmolzenen Zustand in das Formwerkzeug eingebracht werden. Als Beispiel geeigneter, bei Raumtemperatur fester Bestandteile der Reaktionsmischung sei beispielsweise ε-Caprolactam genannt, welches zu Polyamid-6 polymerisiert werden kann, wobei sich insbesondere Guss-Polyamide, wie z. B. Guss-Polyamid 6 oder Guss-Polyamid 12, als sehr gut verarbeitbar erwiesen haben.In principle, any desired thermoplastic or thermoelastic polymers whose mono-, di- or oligomers are present in liquid form or which can be converted into the liquid state by heating and whose viscosity is lower than that of the corresponding state into the molten state are suitable as the matrix polymer of the composite component transferred polymer. By way of example only, methyl methacrylate may be mentioned in this context, which may be polymerized to polymethyl methacrylate (PMMA). In order to further reduce the viscosity of the reaction mixture, it may also be advantageous if the reaction mixture is preheated before being transferred to the mold, in which case mono-, di- and / or oligomers which are solid at room temperature can also be used melted and introduced in the molten state in the mold. As an example suitable at room temperature solid components of the reaction mixture may be mentioned, for example, ε-caprolactam, which may be polymerized to polyamide-6, in particular cast polyamides, such as. B. cast polyamide 6 or cast polyamide 12, have proven to be very easy to process.
Um das Kernelement möglichst gänzlich mit der flüssigen Reaktionsmischung zu benetzen und ein Eindringen derselben in die oberflächigen Vertiefungen des Kernelementes sicherzustellen, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Formwerkzeug zumindest während des Einbringens der Reaktionsmischung mit Unterdruck beaufschlagt wird.In order to moisten the core element as completely as possible with the liquid reaction mixture and to ensure penetration of the same into the surface depressions of the core element, it can be provided in an advantageous embodiment that the mold is subjected to negative pressure at least during the introduction of the reaction mixture.
Die Erfindung gibt ferner die Möglichkeit, dass das Formwerkzeug im Wesentlichen isotherm auf der Reaktionstemperatur gehalten wird, welche – wie oben erwähnt – geringer ist als die Schmelz- bzw. thermoplastische Verarbeitungstemperatur des entsprechenden Polymers. Auf diese Weise ist eine alternierende Aufheizung/Abkühlung des Formwerkzeugs entbehrlich und lassen sich bei einem relativ geringen Energiebedarf schnelle Taktzeiten realisieren.The invention also provides the possibility that the mold is maintained substantially isothermally at the reaction temperature which, as mentioned above, is less than the melt or thermoplastic processing temperature of the corresponding polymer. In this way, an alternating heating / cooling of the mold is dispensable and can be implemented with a relatively low energy consumption fast cycle times.
Um für eine einwandfreie Imprägnierung des Kernelementes sowie insbesondere eine möglichst gänzlich Benetzung dessen oberflächiger Vertiefungen mit der flüssigen Reaktionsmischung sicherzustellen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass eine Reaktionsmischung mit einer dynamischen Viskosität von höchstens 20 mPas, insbesondere von höchstens 15 mPas, vorzugsweise von höchstens 10 mPas, eingesetzt wird. Wie weiter oben erwähnt, kann es zu diesem Zweck geboten sein, die eingesetzten Mono-, Di- und/oder Oligomeren zu erwärmen, um sie aufzuschmelzen oder – sofern sie bereits in flüssiger Form vorliegen – ihre Viskosität weiter herabzusetzen.In order to ensure a perfect impregnation of the core element and in particular as complete as possible wetting its surface depressions with the liquid reaction mixture may preferably be provided that a reaction mixture having a dynamic viscosity of at most 20 mPas, in particular of at most 15 mPas, preferably of at most 10 mPas, is used. As mentioned above, for this purpose it may be advisable to heat the mono-, di- and / or oligomers used in order to melt them or, if they are already in liquid form, to further reduce their viscosity.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Reaktionsmischung ferner Verstärkungsfasern zugesetzt und/oder Faserstrukturen in das Formwerkzeug eingelegt und von der Reaktionsmischung imprägniert werden, wobei auch hier aufgrund der gegenüber Polymerschmelzen deutlich geringen Viskosität der flüssigen Reaktionsmischung eine im Vergleich mit herkömmlichen thermoplastischen Verarbeitungsverfahren bessere Benetzung der Fasern und folglich eine höhere Festigkeit des Verbundbauteils erzielt werden kann. Bei den Fasern kann es sich um solche synthetischen Ursprungs (beispielsweise Glas-, Carbon-, Aramidfasern etc.) oder natürlichen Ursprungs (z. B. Cellulose-, Holz-, Hanf-, Miscanthus-, Schilf-, Ramiefasern etc.) handeln. Insbesondere können in diesem Zusammenhang Faserstrukturen lokal dort in das Verbundbauteil eingebracht werden, wo eine mechanische Verstärkung bzw. Versteifung des Bauteils erwünscht ist. Alternativ oder zusätzlich lassen sich Faserstrukturen vorzugsweise im Oberflächenbereich des Kernelementes anordnen, so dass sich eine sandwichartige Struktur des Verbundbauteils mit einer bestmöglichen Anhaftung der Polymermatrix an dem Kernelement unter Durchdringung der Faserstrukturen ergibt, um auch unter Last Delaminierungen zuverlässig zu verhindern.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention can be provided that the reaction mixture further added reinforcing fibers and / or fiber structures are inserted into the mold and impregnated by the reaction mixture, again due to the compared to polymer melts significantly low viscosity of the liquid reaction mixture in comparison with conventional thermoplastic processing better wetting of the fibers and consequently a higher strength of the composite component can be achieved. The fibers may be of synthetic origin (for example, glass, carbon, aramid, etc.) or of natural origin (eg, cellulose, wood, hemp, miscanthus, reed, ramie, etc.) , In particular, in this context fiber structures can be locally introduced into the composite component where mechanical reinforcement or stiffening of the component is desired. Alternatively or additionally, fiber structures can preferably be arranged in the surface region of the core element, so that a sandwich-like structure of the composite component results with the best possible adhesion of the polymer matrix to the core element while penetrating the fiber structures in order reliably to prevent delamination even under load.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, zur Herstellung von Leichtbauteilen und/oder stoßabsorbierenden Bauteilen an, insbesondere in Form von Fahrzeugteilen (z. B. für Innenverkleidungsteile oder, insbesondere zum Aufprallschutz beitragende, Karosserieteile und Verkleidungsteile), Flugzeugteilen (z. B. gleichfalls für Innenverkleidungsteile) und Bootsteilen (z. B. für Rumpfteile, Aufbauten, Verkleidungen etc.) sowie konstruktiven Teilen für die Bauindustrie einschließlich Teilen von Windkraftanlagen.The method according to the invention is particularly, although not exclusively, suitable for the production of lightweight components and / or shock-absorbing components, in particular in the form of vehicle parts (eg for interior trim parts or body parts and trim parts that contribute to impact protection), aircraft parts (e.g. B. also for interior trim parts) and boat parts (eg for fuselage parts, superstructures, panels, etc.) as well as structural parts for the construction industry including parts of wind turbines.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:The invention with reference to an embodiment with reference to the drawings is explained in more detail. Showing:
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Ausführungsbeispiel:Embodiment:
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