DE102013014224A1

DE102013014224A1 - Werkstoff aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Werkstoffs

Info

Publication number: DE102013014224A1
Application number: DE102013014224.5A
Authority: DE
Inventors: René Holschuh; Michael Magin; Martina Hümbert
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Werkstoff aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund mit einer ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer und mindestens eine weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer, die in einer gemeinsamen Fügefläche (7) durch Aufschmelzen, Zusammenfügen und Konsolidierung stoffschlüssig zu einem Flächengebilde verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl faserförmiger Verstärkungselemente (8), die zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Polymer bestehen, die jeweils quer zur Fügefläche (7) ausgerichtet sind und mir einem ersten Längsabschnitt stoffschlüssig in die erste Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und mit einem zweiten Längsabschnitt stoffschlüssig in die weitere Schicht (2, 3, 4, 16, 16') einbinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Werkstoffs gemäß der Patentansprüche 8 und 18.
Faserkunststoffverbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Polymermatrix gewinnen sowohl in wirtschaftlicher als auch technischer Hinsicht zunehmend an Bedeutung. Die Ursachen liegen in den hohen mechanischen Festigkeiten solcher Verbundwerkstoffe, in deren chemischer Resistenz und guter Verarbeitbarkeit bei geringem gesundheitlichem Gefährdungspotential sowie der Möglichkeit des Recyclings am Ende der Nutzungsdauer. Aufgrund des geringen Gewichts sowie der guten Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe sind derartige Werkstoffe insbesondere für die wirtschaftliche Nutzung in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobilbau und in der Sportartikelindustrie prädestiniert.
Das Faserverbundsystem gattungsgemäßer Werkstoffe umfasst mindestens zwei Komponenten mit einer faserhaltigen Struktur als erste Komponente, die dem Bauteil die notwendige Steifigkeit und Festigkeit verleiht. Geeignete Fasern sind beispielsweise Metall-, Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern, die in Form von Geweben, Gelegen oder bereits vorgeformt als Pre-Form verfügbar sind. Die zweite Komponente bildet eine thermoplastische Polymermatrix, in die die Fasern eingebettet sind. Die Polymermatrix dient dabei der Kraftüberleitung von einer Faser zur anderen, übernimmt aber auch Schutzfunktion vor mechanischer oder chemischer Beanspruchung der Fasern.
Bestehen derartige Faserkunststoffverbundwerkstoffe aus mehreren Schichten, so besteht eine bekannte Möglichkeit der Herstellung darin, vorgefertigte Schichtelemente in Heizkühlpressen unter Anwendung von Wärme und Druck zu einem Laminat zu verbinden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung des Tapelegeverfahrens. Dabei werden faserverstärkte Thermoplastbändchen (tapes) nebeinander und übereinander auf einem Formwerkzeug abgelegt. Beide Verfahren führen zu einem Werkstoff mit einem Schichtaufbau, bei dem jede Schicht eine Faserverstärkung in der Fläche aufweist und bei der die einzelnen Schichten durch Polymerkettenverschlaufung der sich in der Fügefläche gegenüberliegenden Grenzschichten verbunden sind.
Aufgrund der in der Fläche ausgerichteten Fasern besitzen derartige Werkstoffe hohe Festigkeiten in der Fläche. Hingegen erweist sich bei Belastungen senkrecht zur Werkstofffläche die thermoplastische Polymermatrix als bestimmender Faktor für die maximal aufnehmbare Kraft. Solche Lastangriffe treten beispielsweise bei einem Aufprall senkrecht zur Werkstoffoberfläche auf oder bei der Verformung räumlich gekrümmter Strukturen oder aber an in ein Bauteil integrierten Krafteinleitungselementen wie z. B. Befestigungsösen, Aufhängeelementen, Bediengriffen und dergleichen. Wird dabei die vergleichsweise geringe Zugfestigkeit der Polymermatrix überschritten, so lösen sich die einzelnen Schichten in der Fügefläche voneinander und es kommt zur Delamination.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bekannte Werkstoffe aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund auf Basis eines thermoplastischen Polymers zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf deren Festigkeiten senkrecht zur Werkstofffläche.
Diese Aufgabe wird durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mehrschichtige, flächenförmige Faserkunststoffverbundwerkstoffe durch senkrecht zu deren Schichten eingebrachte faserförmige Verstärkungselemente zu ertüchtigen. Unter dem Begriff ”faserförmig Verstärkungselemente” im Sinne der Erfindung sind jedoch nicht nur durch einen Spinn- und/oder Streckprozess hergestellte Verstärkungsfasern zu verstehen, sondern allgemein Elemente mit einer ausgeprägten Längserstreckungsrichtung, also einem großen Verhältnis von Länge zu Breite. Dieses Verhältnis beträgt vorzugsweise mindestens 40, höchst vorzugsweise mindestens 100.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht einfach auf die bloße Integration faserförmiger Verstärkungselemente in den Schichtverbund, sondern stellt durch geeignete Maßnahmen gleichzeitig den innigen Verbund zwischen den Verstärkungselementen und den einzelnen Schichten des Werkstoffs sicher. Dies geschieht gemäß der Erfindung, indem die faserförmigen Verstärkungselemente zumindest zum Teil ein thermoplastisches Polymer aufweisen oder vollständig aus einem thermoplastischen Polymer bestehen, über welches während der Konsolidierung des Faserkunststoffverbunds die Verstärkungselemente durch Polymerkettenverschlaufung an die einzelnen Schichten angebunden werden. Auf diese Weise entsteht eine in alle Raumrichtungen wirksame Faserverstärkung, dank der die mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Werkstoffs weit über denen bekannter thermoplastischer Verbundwerkstoffe liegen.
Dabei bewirken die Verstärkungselemente nicht nur einen erhöhten Schutz vor Delamination unter Lasteinwirkung senkrecht zur Werkstofffläche, sondern bedingen darüber hinaus eine Verzahnung der einzelnen Schichten in der Kontaktfläche, so dass dort äußerst wirkungsvoll Schubkräfte übertragen werden. Neben höheren Festigkeiten zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkstoff daher auch durch eine höhere Steifigkeit aus.
Durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften werden mit einem erfindungsgemäßen Werkstoff neue Anwendungsfelder erschlossen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobil- und Bootsbau sowie in der Sportartikelindustrie, die bis dato anderen Werkstoffen vorbehalten waren. Die Erfindung ermöglicht es erstmals, die Vorteile thermoplastischer Faserkunststoffverbunde wie chemische Beständigkeit, gute Verarbeitbarkeit, Wirtschaftlichkeit, einfaches Recycling auch bei hochfesten Bauteilen in diesen Bereichen nutzen zu können.
Bei Verstärkungselementen mit teilweiser thermoplastischer Polymerkomponente sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern, Mineralfasern oder aber auch Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer thermoplastischen Ummantelung zu versehen. Die Faser oder die Fasern dienen innerhalb dieser Materialkombination selbst zur Lastabtragung, während die Ummantelung das stoffschlüssige Einbinden des Verstärkungselements in die Schichten des Faserkunststoffverbundes gewährleistet. Derartige Verstärkungselemente zeichnen daher durch eine hohe Festigkeit aus, ohne Einbußen beim Anschluss an die Schichten des Faserkunststoffverbunds in Kauf nehmen zu müssen.
Die stoffschlüssige Anbindung der faserförmigen Verstärkungselemente an die Schichten des Faserkunststoffverbunds hat zudem den Vorteil, dass im Durchdringungsbereich der Verstärkungselemente die Dichtigkeit des Werkstoffs gegenüber Fluiden erhalten bleibt und nicht etwa für Gase oder Flüssigkeiten durchlässige Bereiche entstehen.
Der Durchmesser der faserförmigen Verstärkungselemente liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 μm und 25 μm, höchst vorzugsweise zwischen 7 μm und 15 μm, wodurch sichergestellt ist, dass die einzelnen Verstärkungselemente die Lage der Fasern in den Schichten, die sie durchdringen, nicht festigkeitsmindernd stören. Gleichzeitig wird über eine Vielzahl an Verstärkungselementen mit geringem Durchmesser eine verhältnismäßig große Fläche zur Anbindung an die Schichten des Faserkunststoffverbunds bereitgestellt und damit eine sichere Verankerung der Verstärkungselemente garantiert.
Grundsätzlich ist die Erfindung unabhängig von der Art und Weise, wie die Schichten des Faserkunststoffverbundes hergestellt sind. Zum Beispiel können diese Schichten aus flächigen Halbzeugen gebildet sein, die in Heizkühlpressen zum Schichtverbund konsolidiert und nachfolgend in der erfindungsgemäßen Weise verstärkt werden.
Bevorzugt ist demgegenüber jedoch die Anwendung der Erfindung in Verbindung mit dem Tapelegeverfahren, bei dem unidirektional faserverstärkte Thermoplastbändchen erst nebeneinander und dann übereinander auf einem Werkstoffträger abgelegt werden. Auf diese Weise sind beliebig viele Schichten mit individueller lastabhängiger Ausrichtung der Faserverstärkung herstellbar. Auch eine Kombination der beiden vorerwähnten Möglichkeiten liegt im Rahmen der Erfindung, bei der die faserverstärkten Thermoplastbändchen auf einem flächigen Grundsubstrat abgelegt und in der erfindungsgemäßen Weise verbunden werden, um lokale Verstärkungen des Grundsubstrats zu bewirken oder den sicheren Anschluss von Krafteinleitungselementen an den Werkstoff zu bewerkstelligen. Anstelle der Thermoplastbändchen können auch Thermoplaststränge in entsprechender Weise abgelegt werden.
Grundsätzlich ist es möglich, die faserförmigen Verstärkungselemente einzeln nacheinander in den Werkstoff einzubringen, was deren gezielte Anordnung innerhalb des Faserkunststoffverbunds garantiert. Ist jedoch die Anordnung einer Vielzahl von Verstärkungselementen vorgesehen, so werden diese aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus vorzugsweise in Gruppen in den Werkstoff eingebracht.
Die zum Einbringen der Verstärkungselemente notwendige Vorschubkraft kann dabei über Druckluft erzeugt werden mit dem Vorteil einer mechanisch einfachen und berührungslosen Arbeitsweise. Andere Ausführungsformen der Erfindung sehen ein Eindrücken der Verstärkungselemente mit Hilfe mechanischer Komponenten wie zum Beispiel einem absenkbaren Stempel oder einer Walze vor. Die beiden letztgenannten Ausführungsformen haben den Vorteil, dass sowohl Kraft als auch Geschwindigkeit, mit der die Verstärkungselemente in den Faserkunststoffverbund eingebracht werden, steuerbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Das Ausführungsbeispiel ist dabei nicht einschränkend zu verstehen.
Es zeigt
1 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Werkstoff entlang der in 2 dargestellten Linie I-I,
2 einen Horizontalschnitt durch den in 1 dargestellten Werkstoff entlang der dortigen Linie II-II,
3 eine Schrägansicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
4 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung und das damit durchgeführte Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffs.
Die 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Werkstoff 1, der im vorliegenden Fall einen Aufbau mit drei Schichten besitzt, aber ebenso zwei, vier oder mehr Schichten aufweisen kann. Der Werkstoff 1 umfasst eine obere Schicht 2, eine mittlere Schicht 3 und eine untere Schicht 4, wobei jede der Schichten 2, 3, 4 aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht, dessen Fasern 5 durch Strichlierung angedeutet sind. Die Fasern 5 bestehen beispielsweise aus Kohlestofffasern, Aramidfasern, Glasfasern und dergleichen, die als Gewebe, Gelege, Vlies, Rowings und dergleichen angeordnet sein können. Die Fasern 5 sind in eine Matrix 6 aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet, zum Beispiel in eine Matrix 6 aus PP, PEEK, PTFE, PES, PEI, PI, PPS, PA6 oder PSU.
Ein erfindungsgemäßer Werkstoff 1 kann durch Zusammenführen und -fügen einzelner Schichten 2, 3, 4 hergestellt sein, die als vorgefertigte Flächenelemente vorliegen oder aber durch sukzessives Ablegen einer Vielzahl von faserverstärkten Thermoplastbändchen oder Thermoplaststrängen. Der auf diese Weise hergestellte Werkstoff 1 kann bereits das fertige Produkt darstellen oder aber als Halbzeug zur Weiterverarbeitung bestimmt sein, beispielsweise als Organoblech. In den Fügeflächen 7 bilden die aneinander liegenden Schichten 2 und 3 bzw. 3 und 4 im aufgeschmolzenen Zustand Grenzschichten aus, in denen durch Polymerkettenverschlaufung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Schichten 2, 3 bzw. 3, 4 entsteht.
Zur Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffs 1 in Z-Richtung ist eine Vielzahl faserförmiger Verstärkungselemente 8 senkrecht zur Fügefläche 7 und in gegenseitigem seitlichem Abstand in den Werkstoff 1 eingebracht. Dabei erstrecken sich die Verstärkungselemente 8 mindestens durch zwei, vorzugsweise mehr Schichten 2, 3, 4 und binden auf diese Weise mit einem ersten Längsabschnitt in eine erste Schicht 2, 3, 4 und mit einem zweiten Längsabschnitt in eine benachbarte weitere Schicht 2, 3, 4 ein.
Die Verstärkungselemente 8 bestehen im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einzelnen Hohlfasern, können aber ebenso aus Vollmaterial bestehen oder von mehreren zu einem Bündel zusammengefassten Fasern gebildet sein. Der Durchmesser der Verstärkungselemente 8 liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Bereich zwischen 5 μm und 25 μm, vorzugsweise zwischen 7 μm und 15 μm. Das Ende der Fasern kann jeweils ein Spitze aufweisen, beispielsweise hergestellt durch einen Schrägschnitt.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Verstärkungselemente 8 eine zur Polymerkomponente der Schichten 2, 3, 4 kompatible Komponente aufweisen, im vorliegenden Fall also eine thermoplastische Komponente. Zu diesem Zweck können die Verstärkungselemente 8 ganz aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen oder aber nur zum Teil, beispielsweise indem die Verstärkungselemente 8 eine thermoplastische Umhüllung besitzen.
Wie vor allem aus 2 hervorgeht, sind die Verstärkungselemente 8 gleichmäßig über den zu verstärkenden Bereich verteilt und bilden dabei ein gleichförmiges Muster aus in X-Richtung und Y-Richtung verlaufenden Reihen, wobei die einzelnen Verstärkungselemente 8 sowohl in X-Richtung als auch Y-Richtung fluchten. Nicht dargestellt ist eine Anordnung, bei der die Verstärkungselemente benachbarter Reihen mit einem Versatz zueinander angeordnet sind, beispielsweise mit einem Versatz, der dem halben Abstand zweier Verstärkungselemente entspricht.
Der stoffschlüssige Verbund zwischen den faserförmigen Verstärkungselementen 8 und den Schichten 2, 3, 4 wird über die thermoplastische Komponente der Verstärkungselemente 8 und der thermoplastischen Matrix der Schichten 2, 3, 4 bewirkt. Im Zuge der Konsolidierung nach vorangegangenem Aufschmelzen der thermoplastischen Materialien kommt es zu einer Polymerkettenverschlaufung in den Grenzschichten und damit zu einem stoffschlüssigen Verbund zwischen den Verstärkungselementen 8 und den Schichten 2, 3, 4.
Gegenstand der in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine örtlich begrenzte Festigkeitssteigerung in Z-Richtung, beispielsweise zum Anschluss von Krafteinleitungskomponenten wie Ösen, Haken, Griffe, Beschläge, Führungen, Lager und dergleichen. Man sieht ein flächiges Grundsubstrat 9, das aus einer oder mehreren Schichten einer thermoplastischen Polymermatrix mit darin eingebetteten Fasern besteht, beispielsweise aus einem Werkstoff, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist. An der Oberseite des Grundsubstrats 9 ist ein Krafteinleitungselement 10 in Form einer Öse 11 mit daran angeschweißter Grundplatte 12 angeordnet, wozu die Grundplatte 12 mit der Oberseite des Grundsubstrats 9 verklebt ist. Diese Art der Verbindung ermöglicht jedoch nicht die Verankerung der aus dem Krafteinleitungselement 10 kommenden Kräfte in tieferliegende Schichten des Grundsubstrats 9. Es besteht daher die Gefahr, dass bei Belastung des Krafteinleitungselements 10 Delaminationsvorgänge im Grundsubstrat 9 stattfinden.
Zur Verstärkung des Grundsubstrats 9 sieht das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel die Anordnung faserverstärkter thermoplastischer Streifen 13 vor, die um einen Krafteinleitungspunkt 10 herum angeordnet sind. Die Streifen 13 überdecken dabei zumindest teilweise die Grundplatte 12 und erstrecken sich mit ihren Endabschnitten 14 deutlich über den Rand der Grundplatte 12 hinaus. Im vorliegenden Fall verlaufen die Streifen 13 beidseits des Krafteinleitungselements 10 paarweise, in lichtem seitlichem Abstand. Ein weiteres Paar faserverstärkter thermoplastischer Streifen 13' verläuft in entsprechender Weise, aber im Winkelversatz von 90° zu den Streifen 13, wodurch sich eine kreuzende Anordnung der Streifen 13, 13' ergibt.
Die Streifen 13, 13' sind wie unter den 1 und 2 beschrieben mit dem Grundsubstrat 9 verbunden, nämlich in der Fügefläche durch Aufschmelzen und Konsolidierung der Grenzbereiche sowie durch Einbringen einer Vielzahl faserförmiger Verstärkungselemente 8 senkrecht zur Fügefläche, die die Streifen 13, 13' durchdringen und mit einem ersten Längsabschnitt in das Grundsubstrat 9 und mit einem zweiten Längsabschnitt in die Streifen 13, 13' stoffschlüssig einbinden.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffs 1 sind nachfolgend anhand 4 näher beschrieben. 4 zeigt eine Werkzeugoberfläche 26, die plan oder entsprechend der Kontur des herzustellenden Bauteils gekrümmt verlaufen kann. Auf der Werkzeugfläche 26 wird ein Grundsubstrat 9 bereitgestellt, das eine oder mehrere Schichten eines Verbundmaterials aus Fasern und thermoplastischer Polymermatrix umfassen kann. Im vorliegenden Beispiel besteht das Grundsubstrat aus einem Laminat von sieben Schichten 16, die um eine weitere Schicht 16' ergänzt werden sollen. Die weitere Schicht 16' wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl faserverstärkter Thermoplastbändchen 17 hergestellt, die nebeneinander auf dem Grundsubstrat 9 abgelegt und damit verbunden werden. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch die Möglichkeit, die weitere Schicht 16' durch Aufbringen eines faserverstärkten Flächenelements mit thermoplastischer Polymermatrix auf das Grundsubstrat 9 herzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen an sich bekannten Roboter mit einem allseitig beweglichen Roboterarm, in den die in 4 dargestellten Funktionskomponenten integriert sind. Dazu gehört zunächst eine Spule 18, auf der ein Endlosbändchen 17 als faserverstärktes thermoplastisches Halbzeug aufgewickelt ist und von der das Bändchen 17 bereitgestellt wird.
Ein Förder- und Führungssystem mit integrierter Schneideinrichtung 19 nimmt dabei das von der Spule 18 kommende Bändchen 17 auf und führt es der Oberseite 15 des Grundsubstrats 9 zu, wo es in den Bereich einer Vordrapiereinheit 20 gelangt. Die Vordrapiereinheit 20 besitzt im Wesentlichen eine Rolle, die auf die Oberseite 15 des Grundsubstrats 9 absenkbar ist und dabei sowohl ein Umlenken als auch Andrücken des Bändchens 17 auf das Grundsubstrat 9 bewirkt.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine Heizeinrichtung 21, deren Wirkbereich unmittelbar vor der Vordrapiereinheit 20, also vor dem Bereich, wo Bändchen 17 und Grundsubstrat 9 zusammengeführt werden, liegt.
In dem Bereich hinter der Vordrapiereinheit 20 ist eine Pinning-Einrichtung 22 vorgesehen mit einer auf die Oberseite 15 absetzbaren Führungsmatrize 23, in deren Durchgangsbohrungen Verstärkungselemente 8 angeordnet sind. Die Pinning-Einrichtung 22 umfasst dabei eine durch einen Pfeil versinnbildlichte Vorschubeinrichtung 24 zum Einbringen der Verstärkungselemente 8 in das Grundsubstrat 9.
Neben der Pinning-Einrichtung 22 sieht man eine Konsolidierungseinrichtung 25 mit einer auf die Oberseite 15 des Grundsubstrats 9 absenkbaren, temperaturregulierten Walze, die die Schicht 16' auf die darunterliegende Schicht 16 des Grundsubstrats 9 drückt und dabei durch Aufnahme und Ableitung von Wärmeenergie eine Konsolidierung des Faserkunststoffverbundes bewirkt.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffs wird also ein Endlosbändchen 17 von der Spule 18 abgewickelt und über das Förder- und Führungssystem 19 der Oberseite 15 des Grundsubstrats 9 zugeführt. Mit Hilfe einer Heizeinrichtung 21 wird das Bändchen 17, noch bevor es auf der Oberseite 15 aufliegt, aufgeschmolzen. Ebenso wird der das Bändchen 17 aufnehmende Bereich des Grundsubstrats 9 durch Beaufschlagung mit thermischer Energie aufgeschmolzen. In diesem Zustand werden Tape 17 und Grundsubstrat 9 zusammengeführt und mit Hilfe der Vordrapiereinheit 20 unter Druck miteinander verbunden.
Zur Steigerung der Werkstofffestigkeit in Z-Richtung werden im Bereich der Pinning-Einheit 22 Verstärkungselemente 8 durch das Bändchen 17 hindurch in die noch plastischen Schichten 16, 16' des Grundsubstrats 9 eingedrückt, wobei sich die thermoplastischen Bestandteile der Verstärkungselemente 8 stoffschlüssig mit der thermoplastischen Polymermatrix der Schichten 16, 16' verbinden.
Mit Hilfe der nachfolgenden Konsolidierungseinheit 25 wird das Bändchen 17 auf die darunterliegende Schicht 16 des Grundsubstrats 9 gedrückt. Infolge der dabei stattfindenden kontrollierten Ableitung von Wärme kommt es zur Konsolidierung des Faserkunststoffverbundes.

Claims

Werkstoff aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund mit einer ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer und mindestens eine weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer, die in einer gemeinsamen Fügefläche (7) durch Aufschmelzen, Zusammenfügen und Konsolidierung stoffschlüssig zu einem Flächengebilde verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl faserförmiger Verstärkungselemente (8), die zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Polymer bestehen, die jeweils quer zur Fügefläche (7) ausgerichtet sind und mir einem ersten Längsabschnitt stoffschlüssig in die erste Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und mit einem zweiten Längsabschnitt stoffschlüssig in die weitere Schicht (2, 3, 4, 16, 16') einbinden.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) jeweils vollständig von einem thermoplastischen Polymer gebildet sind.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) jeweils mindestens eine Faser umfassen, die eine Ummantelung aus einem thermoplastischen Polymer aufweist.
Werkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faser aus der Gruppe der Metallfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern, Mineralfasern oder Kohlenstoffnanoröhrchen ausgewählt ist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verstärkungselemente (8) in einem Bereich zwischen 5 μm und 25 μm, vorzugsweise zwischen 7 μm und 15 μm liegt.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) einen Vollquerschnitt oder Hohlquerschnitt besitzen.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und/oder mindestens eine weitere Schicht (2, 3, 4, 16, 16') von einem oder mehreren faserverstärkten Thermoplastbändchen (17) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs (1) aus einem Faserkunststoffverbund gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Grundsubstrats (9) mit mindestens einer ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer, b) Bereitstellen einer weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') aus einem faserverstärkten thermoplastischen Polymer, c) Aufschmelzen des Grundsubstrats (9) und der weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') im Fügebereich durch Aufbringen thermischer Energie, d) Zusammenfügen der ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') im aufgeschmolzenen Zustand, e) Einbringen einer Vielzahl faserförmiger Verstärkungselemente (8) im aufgeschmolzenen Verbindungsbereich quer zur Fügefläche (7), wobei ein erster Teilabschnitt der Verstärkungselemente (8) stoffschlüssig in die erste Schicht (2, 3, 4) einbindet und ein zweiter Längsabschnitt stoffschlüssig in die weitere Schicht (2, 3, 4). f) Konsolidierung des Verbindungsbereichs.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) einzeln nacheinander in den Werkstoff (1) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) gruppenweise in den Werkstoff (1) eingebracht werden, wobei jeweils eine vorbestimmte Anzahl Verstärkungselemente (8) eine Gruppe bilden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) in Reihen angeordnet sind und die Verstärkungselemente (8) einer Reihe mit Versatz zu den Verstärkungselementen (8) einer benachbarten Reihe in den Werkstoff (1) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubkraft zum Einbringen der Verstärkungselemente (8) mit Druckluft erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubkraft zum Einbringen der Verstärkungselemente (8) mechanisch mit Hilfe eines absenkbaren Stempels (22) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubkraft zum Einbringen der Verstärkungselemente (8) durch Überrollen mit einer Walze erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) nach dem Zusammenführen einer jeden weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') in den Werkstoff (1) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (8) nach dem Zusammenführen einer Gruppe von Schichten (2, 3, 4, 16, 16') oder allen Schichten (2, 3, 4, 16, 16') in den Werkstoff (1) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und/oder weitere Schicht (2, 3, 4, 16, 16') durch sukzessives Ablegen von faserverstärkten Thermoplastbändchen (17) bereitgestellt wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines Werkstoffs (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, mit einer Einrichtung (26) zur Aufnahme einer ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16'), mit einer Einrichtung (19) zum Ablegen einer weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') auf die erste Schicht (2, 3, 4, 16, 16'), mit einer Einrichtung (21) zum Aufschmelzen der Grenzschichten der ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und der weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') im Fügebereich und mit einer Einrichtung (25) zum Konsolidieren der ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16') nach deren Zusammenfügen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zum Einbringen von faserförmigen Verstärkungselementen (8) quer zur Ebene der ersten Schicht (2, 3, 4, 16, 16') und/oder weiteren Schicht (2, 3, 4, 16, 16').