DE102014009584A1 - One-shot HD-RTM-Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem Poly(meth)acrylimid- (P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid-(PMI)Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Schaumwerkstoff zunächst mit ein oder zwei Gelegen oder ähnlichem eines Fasermaterials belegt und anschließend in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird. Daraufhin wird das aufgeheizte Halbzeug in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt, dort in das Fasermaterial ein Harz injiziert und anschließend unter Formgebung ausgehärtet.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem Poly(meth)acrylimid- (P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid-(PMI)Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Schaumwerkstoff zunächst mit ein oder zwei Gelegen oder ähnlichem eines Fasermaterials belegt und anschließend in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird. Daraufhin wird das aufgeheizte Halbzeug in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt, dort in das Fasermaterial ein Harz injiziert und anschließend unter Formgebung ausgehärtet.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen mit einem Hartschaumstoff oder zur Formgebung von harten Schaumwerkstoffen im Allgemeinen beschrieben. Unter Hartschaumstoffen werden im Zusammenhang dieser Erfindung Schaumstoffe verstanden, die sich nicht – wie zum Beispiel handelsübliche PU- oder Polystyrolschaumstoffe – mit geringen Kräften mechanisch verformen lassen und sich anschließend wieder zurückstellen. Beispiel für Hartschaumstoffe sind vor allem PP-, PMMA- oder hochvernetzte PU-Schäume. Ein besonders stark belastbarer harter Schaumwerkstoff ist Poly(meth)acrylimid (PMI), wie er zum Beispiel von der Firma Evonik unter dem Namen ROHACELL® vertrieben wird.
  • Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung beschriebener Compositematerialien ist die Formgebung der Deckschichten mit anschließender Füllung des Schaumrohmaterials und dessen abschließender Schäumung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in US 4,933,131 beschrieben. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Schäumung zumeist sehr ungleichmäßig erfolgt. Dies gilt insbesondere für Materialien wie PMI, die bestenfalls als Granulat zugegeben werden können. Ein weiterer Nachteil eines solchen Verfahrens ist, dass zur Formgebung eines reinen Schaumwerkstoffs, die Deckschichten wieder entfernt werden müssten. Im Falle von Compositebauteilen wiederum ist die Haftung zwischen Deckschichten und dem Schaumkern oft nicht ausreichend für mechanisch belastete Bauteile.
  • In Passaro et al., Polymer Composites, 25(3), 2004, S. 307ff ist ein Verfahren beschrieben bei dem ein PP-Schaumkernstoff mit einem faserverstärkten Kunststoff in einem Presswerkzeug zusammengefügt wird und dabei der Schaumkernstoff mittels des Werkzeugs gezielt nur an der Oberfläche erhitzt wird, um eine gute Bindung zum Deckmaterial zu ermöglichen. In Grefenstein et al., International SAMPE Symposium and Exhibition, 35 (1, Adv. Materials: Challenge Next Decade), 1990, S. 234–44 ist ein analoges Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Materialien mit einem Wabenkernmaterial oder einem PMI-Schaumkern beschrieben. Eine Formgebung ist mit diesen beiden Verfahren jedoch nicht möglich, sondern nur die Herstellung von Sandwichmaterialien in Plattenform.
  • In WO 02/098637 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein thermoplastisches Deckmaterial als Schmelze auf die Oberfläche eines Schaumkernmaterials gebracht wird, dann zusammen mit dem Schaumkern zu einem Compositeformteil mittels einem Twin-Sheet-Verfahren geformt wird und anschließend der Thermoplast derart abgekühlt wird, dass das Deckmaterial in der Form erstarrt. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nur eine begrenzte Zahl von Materialien kombinieren. So können zum Beispiel keine Faserverstärkten Deckmaterialien hergestellt werden. Auch ist das Verfahren zur reinen Formgebung eines Schaumwerkstücks ohne Deckmaterialien nicht anwendbar. Weiterhin ist auch die Auswahl der Schaumwerkstoffe auf bei niedrigen Temperaturen elastisch verformbare Materialien beschränkt. Ein Hartschaum würde bei einem solchen Verfahren ohne gleichmäßiges Aufheizen des Schaumaterials strukturell zu sehr beschädigt.
  • Sehr ähnlich ist das in EP 0 272 359 beschriebene Verfahren. Hier wird in Schaumkernrohling erst in Form geschnitten und in ein Werkzeug gelegt. Anschließend wird die Schmelze des thermoplastischen Materials auf die Oberfläche injiziert. Durch eine Temperaturerhöhung wird darauf der Schaumkernrohling aufgeschäumt, wodurch es zu einem Pressen auf die Oberfläche des Deckmaterials kommt. Zwar kann mit diesem Verfahren eine bessere Haftung zu dem Deckmaterial erreicht werden. Dafür ist das Verfahren mit dem zusätzlichen Arbeitsschritt der ersten Formgebung aufwendiger und insgesamt bezüglich der realisierbaren Formen deutlich stärker beschränkt.
  • In W. Pip, Kunststoffe, 78(3), 1988, S. 201–5 ist ein Verfahren zur Herstellung von geformten Compositen mit faserverstärkten Deckschichten und einem PMI-Schaumkern in einem Presswerkzeug beschrieben. Bei diesem Verfahren wird erfolgt das Zusammenführen der einzelnen Schichten in einem beheizten Presswerkzeug, wobei eine leichte Formgebung durch ein Zusammendrücken der obersten Schichten im lokal erhitzten Schaumwerkstoff erfolgt. Gleichzeitig ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch ein Nachschäumen innerhalb des Werkzeugs eine Form gebildet werden kann. Die Nachteile eines solchen Verfahrens wurden bereits zuvor diskutiert. Als dritte Variante ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine elastische Stauchung des Materials während des Pressens eines vorgeheizten Schaummaterials erfolgt. Das Vorheizen erfolgt in einem Ofen. Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass für viele Schaumwerkstoffe sehr hohe Temperaturen zur thermoelastischen Verformung benötigt werden. So werden zum Beispiel für PMI-Schäume Temperaturen von mindestens 185°C benötigt. Weiterhin muss der Kernwerkstoff über den gesamten Materialbereich entsprechend aufgeheizt sein, um Materialbrüche zu vermeiden. Bei solchen Temperaturen, zumal diese in der gleichmäßigen Verteilung nur mit einem längeren Aufheizen von mehreren Minuten möglich sind, würden jedoch viele Deckmaterialien, wie z. B. PP, derart beschädigt, dass der Prozess nicht durchführbar ist.
  • In U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), S. 275–9 ist ein leicht modifiziertes Verfahren der zuvor diskutierten dritten Variante aus Pip für PMI-Schaumkerne offenbart. Hier erfolgt das Aufheizen des PMI-Schaumkerns und der faserverstärkten Deckmaterialien mittels einer IR-Wärmelampe. Solche IR-Wärmestrahler, die vor allem Licht mit Wellenlängen im Bereich zwischen 3 und 50 μm (IR-C-, bzw. MIR-Strahlung) abstrahlen, sind besonders gut geeignet für ein schnelles Aufheizen des Substrats. Jedoch ist dabei der Energieeintrag – gewünscht – sehr hoch, was gleichzeitig zur Schädigung vieler Deckmaterialien, wie zum Peispiel PP, führt. So ist in Breuer et al. auch nur Polyamid 12 (PA12) als mögliches Matrixmaterial für die Deckschichten offenbart. PA 12 kann leicht auf über 200°C erhitzt werden, ohne dass es zu einer Schädigung des Kunststoffes kommt. Eine gleichzeitige Formgebung des Schaumkerns ist in dieser Verfahrensweise nicht möglich, da die Wärmestrahlung des IR-Strahlungsbereiches nicht in die Schaummatrix eindringt und somit kein thermoplastisch formbarer Zustand erreicht wird.
  • In der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 223 353.1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem Schaumkerne aus PMI mittels IR-Strahlung geeigneter Wellenlänge aufgeheizt werden und anschließend in eine Presse geführt wird, deren Werkzeuginnenschalen mit Prepregs belegt sind. Dort findet dann gleichzeitig das Aushärten der Prepregs, die Formgebung und die Verbindung der Prepregs mit der Oberfläche des Schaumkerns statt.
  • Aufgabe
  • Vor dem Hintergrund des diskutierten Standes der Technik war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem einfach und mit hoher Durchsatzgeschwindigkeit Compositematerialien mit einem P(M)I-Schaumkern ohne strukturelle Schädigung des Schaumkerns hergestellt werden können.
  • Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem diese Compositematerialien formgebend hergestellt werden und gleichzeitig die Wahl des Oberflächenmaterials relativ frei wählbar ist, ohne dass dieses während der Verarbeitung eine Schädigung erfährt.
  • Weiterhin sollen unabhängig von den einzelnen als Aufgaben gestellten Ausführungsformen mit dem neuartigen Verfahren schnelle Taktzeiten von deutlich unter 10 min realisierbar sein.
  • Darüber hinaus bestand die Aufgabe, das Verfahren in besonders wenigen Verfahrensschritten, sehr einfach, schnell und ohne handwerklich anspruchsvolle Arbeitsschritte durchführen zu können.
  • Weitere, an dieser Stelle nicht explizit diskutierte Aufgaben, können sich im Weiteren aus dem Stand der Technik, der Beschreibung, den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen ergeben.
  • Lösung
  • Im Weiteren werden unter der Formulierung Poly(meth)acrylimid Polymethacrylimide, Polyacrylimide oder Mischungen daraus verstanden. Entsprechendes gilt für die entsprechenden Monomere wie (Meth)acrylimid bzw. (Meth)acrylsäure. So werden beispielsweise unter dem Begriff (Meth)acrylsäure sowohl Methacrylsäure als auch Acrylsäure sowie Mischungen aus diesen beiden verstanden.
  • Gelöst werden die Aufgaben durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Compositematerialien mit einem Schaumkern aus einem Hartschaum, insbesondere mit einem Schaumkern aus P(MI), bevorzugt mit einem Schaumkern aus PMI. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem es sich bei dem Schaumwerkstoff des Schaumkerns um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3. Neben P(M)I können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Hartschäume aus Polypropylen (PP) oder aus hochvernetztem Polyurethan (PU) zu Schaumkernen in Composite-Materialien verarbeitet werden.
  • PP-Schäume sind vor allem als Isolationsmaterial, in Transportbehältern und als Sandwichmaterial bekannt. PP-Schäume können Füllstoffe enthalten und sind zumeist in einem Dichtebereich zwischen 20 bis 200 kg/m3 kommerziell verfügbar.
  • PU-Hartschäume wiederum zeichnen sich gegenüber PU-Weichschäumen durch eine geschlossenere Porenstruktur und einen höheren Vernetzungsgrad aus. PU-Hartschäume können zusätzlich größere Mengen anorganischer Füllmaterialien enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern zeichnet sich insbesondere durch folgende Prozessschritte aus:
    • a) Belegen des Schaumkerns mit einem Fasermaterial,
    • b) Aufheizen des Schaumkerns und des Fasermaterials in einer Heizstation mit naher Infrarot-Strahlung (NIR-Strahlung),
    • c) Überführen des aufgeheizten, mit Fasermaterial belegten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen,
    • d) Schließen der Presse,
    • e) Injektion eines Harzes in das Fasermaterial,
    • f) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes,
    • g) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und
    • h) Öffnen der Presse und Entnahme des Composite-Materials.
  • In Prozessschritt a) wird der Schaumkern mit dem Fasermaterial, welches im Endprodukt integraler Bestandteil der Deckschichten sein wird, belegt. Bei den Fasern kann es sich insbesondere um Kohle-, Glas-, Polymer-, Textil- oder Aramidfasern handeln. Dabei sind insbesondere kurze Kohle- und Glasfasern bevorzugt.
  • Überraschenderweise ist die Wahl der Form des Deckmaterials relativ frei. Es kann sich dabei beispielsweise um Gewebe, Gestricke, Gelege oder Verbunde daraus handeln. Auch möglich, jedoch in der Ausführung eher problematisch, können die Fasern auch in Form einer unidirektionalen oder nicht direktionalen Schicht aufgebracht werden. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Fasern bevorzugt mittels kleiner Mengen eines Klebstoffs oder eines Haftvermittlers miteinander verbunden, wobei dieser Klebstoff im Endprodukt nur einen sehr kleinen Teil des Matrixmaterials der Deckschichten neben dem in Verfahrensschritt e) injizierten Harz bildet.
  • In Prozessschritt b) erfolgt das Einlegen der Schaumkerne in den maschinenseitigen Wirkbereich der Heizfelder der Heizstation. Bezüglich Prozessschritt b) ist insbesondere eine NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1,40 μm geeignet, Als besonders günstig erweist es sich dabei, wenn der Schaumkern und das Fasermaterial bereits während des Aufheizens in der Transporteinrichtung eingespannt sind.
  • Die Strahlungsintensität und -dauer sind dabei von verschiedenen Faktoren abhängig und für den Fachmann mit wenigen Versuchen optimierbar. So sind diese Heizparamter von der Erweichungstemperatur des verwendeten Schaumwerkstoffs, der Porengröße bzw. Werkstoffdichte, der Werkstoffdicke und der Distanz der Strahlungsquellen zum Schaumkern abhängig. Die Strahlungsintensität muss in der Regel bei festeren Materialien, einer höheren Werkstoffdichte, einer größeren Werkstoffdicke und einem größeren Abstand zu den Strahlungsquellen erhöht werden. Weiterhin kann die Strahlungsintensität in Abhängigkeit des zu erzielenden Umformungsgrads variiert werden. Die Strahlungsintensität wird dazu in der Regel so eingestellt, dass in der Mitte des Schaumkerns eine Temperatur zwischen 170 und 250°C erzielt wird.
  • Gegenüber dem in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 223 353.1 beschriebenen Verfahren ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der leicht isolierend wirkenden Fasermaterialien auf der Oberfläche des Schaumkerns mit einer etwas längeren Aufheizdauer zu arbeiten.
  • Bevorzugt weist die Heizstation mehrere NIR-Lichtquellen auf, so dass die Oberfläche des Schaumkerns gleichmäßig aufgeheizt wird. Auf diese Weise wird der Schaumkern bis zur Plastifizierungstemperatur des Schaumwerkstoffs erhitzt. Überraschend wurde gefunden, dass durch das schonende Erhitzen des Materials in Prozessschritt b) eine plastische Verformbarkeit durch einen gleichmäßigen Wärmeeintrag herbeigeführt werden kann, ohne dass es gleichzeitig zu einer Schädigung des Materials kommt. Insbesondere die z. B. beim Erhitzen in einem Ofen zu beobachtende Schädigung der Hartschaumoberfläche bleibt bei sachgerechter Durchführung des vorliegenden Verfahrens aus. Die Wärmestrahlung des verwendeten NIR-Spektralbereiches durchdringt die Gasphase der Schaumzellen absorptionsfrei und bewirkt ein direktes Erhitzen der Zellwandmatrix. Besonders überraschend wurde dabei gefunden, dass durch ein solches Aufheizen mit NIR-Strahlung eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung auch in dickeren Schaumkernen erzielt werden kann.
  • Die Überführung des aufgeheizten Schaumkerns in eine Presse in Prozessschritt c) erfolgt mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen. In der Regel ist diese Transporteinrichtung mit einem linearmotorischen Antrieb versehen. Bevorzugt sind der Schaumkern und das Fasermaterial bereits dem Einfahren in die Heizstation in einem mit dem Verfahrrahmen verbundenen Spannrahmen eingespannt. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Schaumkern während dieses Transports in Gänze oberhalb der Plastifizierungstemperatur bleibt. Dies kann durch einen kurzen Weg zwischen der Heizstation und der Presse oder bzw. zusätzlich durch eine entsprechend hohe Umgebungstemperatur auf dieser Strecke, z. B. innerhalb einer Einhausung oder durch zusätzlich NIR-Strahlungsquellen, bewirkt werden. Bevorzugt werden die die Decklagen bildende Fasern in einem Spannrahmen zwischen den Werkzeughälften positioniert. Alternativ wird das Material in dem Gerät mittels eines Niederhalterrahmens fixiert, um ein Verrutschen zu vermeiden. Dazu steht das zu verarbeitende Material z. B. einige Zentimeter über den Werkzeugrand heraus und wird in diesem Bereich mittels des erwähnten Niederhalterrahmens heruntergedrückt.
  • Bevor in Prozessschritt d) die Presse geschlossen wird, ist es optional möglich, ein Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft durchzuführen. Dies kann besonders bei Composite-Bauteilen mit einer starken Krümmung zu noch besseren Ergebnissen führen.
  • In Prozessschritt d) erfolgt darauf das Schließen der Presse, wobei die Presse ein zweischaliges Werkzeug aufweist, die beim Schließen einen direkten Kontakt zwischen den beiden Werkzeugschalen und der aufgelegten Faser-Decklage bewirken. Ein direkter Kontakt bedeutet in diesem Fall nicht zwangsläufig, dass dies flächendeckend erfolgen muss. Vielmehr kann der Abstand zwischen dem Schaumkern und der Oberfläche der Werkzeugschale etwas größer sein als die Diecke des dazwischen liegenden Fasermaterials. Diese Differenz beträgt jedoch bevorzugt maximal 5 cm, besonders bevorzugt maximal 2 cm und insbesondere bevorzugt ist der Abstand ungefähr gleich der Dicke des Fasermaterials. Weiterhin weist das zweischalige Werkzeug eine Form auf, die während des Pressens vorgebend auf das Composite-Bauteil wirkt.
  • Zusätzlich können zur Verbesserung der Haftung zwischen Schaumkernmaterial und Deckschichten Haftvermittler verwendet werden. Diese Haftvermittler können im Harz, das das Matrixmaterial der Dekschichten bildet, enthalten sein. Alternativ können die Haftvermittler auch vor dem Zusammenführen auf der Oberfläche des Fasermaterials oder des Schaumkerns aufgetragen werden. Bei diesem Vorgehen können alternativ auch geeignete Klebstoffe eingesetzt werden. Als Haftvermittler haben sich insbesondere Polyamide oder Poly(meth)acrylate als geeignet erwiesen. Es können aber auch niedermolekulare Verbindungen, die aus der Herstellung von Compositematerialien, insbesondere in Abhängigkeit vom verwendeten Matrixmaterial der Deckschicht, dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
  • In Prozessschritt e) erfolgt die Injektion des Harzes. Die Injektion kann dabei in einer bevorzugten Ausführungsform an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen. Auf diese Weise ist eine besonders schnelle und vollständige Durchdringung des Fasermaterials mit dem Harz möglich. Alternativ kann die Injektion auch an der höchsten Stelle des Innenraums des Werkzeugs erfolgen. Bevorzugt wird das Werkzeug vorher derart gedreht, dass die vertikale Ausrichtung des Innenraums die längste ist.
  • Weiterhin weist das Werkzeug zur Abführung der verdrängten Luft weiterhin eine oder mehrere Entlüftungsvorrichtungen auf.
  • Darüber hinaus kann das Werkzeug während der Injektion auch bewegt, insbesondere geschüttelt oder rotiert werden, um eine gleichmäßigere und schnellere Verteilung des Harzes zu unterstützen.
  • Als Harz können insbesondere Vinylesterharze, Epoxidharze, Isocyanatharze oder Acrylatharze verwendet werden. Bevorzugt sind insbesondere Epoxydharze und Vinylesterharze. Die genaue Auswahl des Harzes ist für den Fachmann aus dem Bereich der Composite-Herstellung allgemein einfach zu treffen. Der einzige limitierende Faktor ist, dass das Harz förderbar und mittels Injektion applizierbar sein muss. Dadurch sind flüssige Harze mit einer zu der vorliegenden Injektionsvorrichtung passenden Viskosität auszuwählen.
  • Alternativ zu den vernetzenden Harzen können auch thermoplastische Kunststoffe injiziert werden. Ein solches Material weist gegenüber den aushärtenden Systemen den Nachteil einer deutlich verringerten Festigkeit auf. Dafür besteht jedoch der große Vorteil, eines besseren Recyclings, bei dem die Deckschichten, z. B. thermisch, einfach wieder von dem Schaumkern entfernt werden können. Auf diese Weise ließen sich im Idealfall der Schaumkern, dessen obersten Schickten u. U. entfernt werden müssten, und das Fasermaterial wiedergewinnen. Bei solchen Kunststoffen wiederum kann es sich insbesondere um PP, Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), einen Polyester oder um ein Polyamid handeln.
  • In Prozessschritt f) erfolgt als nach dem Schließen der Presse und der dabei erfolgenden Formgebung, sowie der Injektion des Harzes in Verfahrensschritt e), ein Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes. Durch den direkten Kontakt zwischen den Werkzeugschalen und dem Deckmaterial kann dabei eine sehr schnelle Aushärtung des Harzes erfolgen. Die zur Härtung des Harzes verwendete Temperatur im hängt von dem jeweilig verwendeten Harz ab und ist für den Fachmann leicht ermittelbar. In der Regel liegen solche Temperaturen zwischen 100 und 300°C. Damit sind insbesondere auch die für die Schäumung des Schaumkerns bevorzugten Temperaturen zwischen 170 und 250°C für die meisten Harzsysteme geeignet. Für den weniger bevorzugten Fall einer benötigten höheren Temperatur, kann die Härtung des Harzes in einer weiteren Heizstation erfolgen.
  • In Prozessschritt g) findet darauf ein Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur statt. Dies kann Beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Werkzeugschalen im Inneren oder auf der dem Werkstück abgewandten Seite mit Rohren für eine Kühlflüssigkeit, z. B. für Wasser ausgestattet sind. Die Entformungstemperatur ist dabei materialabhängig und für den Fachmann leicht zu ermitteln. Sie hängt zum einen von der Plastizität des Schaumkerns und primär von den Oberflächeneigenschaften des Deckmaterials ab. Dieses sollte bei der Entformungstemperatur fest sein und eine möglichst geringe Klebrigkeit gegenüber der Oberfläche der Werkzeugsschalen aufweisen. Eine geeignete Entformungstemperatur kann beispielsweise schon unterhalb von 80°C liegen. Durch ein Auftragen von einem Entformungshilfsmittel zwischen Deckschichten und Werkzeugschalen kann diese Temperatur zur Steigerung der Taktzeiten zusätzlich erhöht werden. Als Entformungshilfsmittel können beispielsweise Silikonöle oder aliphatische Öle zum Einssatz kommen.
  • In Prozessschritt h) erfolgt schließlich das Öffnen der Presse, das Herausfahren des Verfahrrahmens und die Entnahme des. Alternativ kann auch erst das Composite-Material entnommen werden und dann der Verfahrahmen zurückgefahren werden, um neu belegt zu werden.
  • Das entnommene Werkstück kann einer weiteren Nachbehandlung unterzogen werden. So können zunächst beispielsweise die Inektionszapfen des Harzes abgeschnitten, abgesägt oder abgefräst werden. Auch ist eine Oberflächenbehandlung des Halbzeugs, wie zum Beispiel ein Schleifen, Polieren oder Lackieren möglich. Darüber hinaus kann das Produkt nach der Entnahme auch durch Schneiden oder Sägen in mehrere Halbzeuge zerteilt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den großen Vorteil, dass es mit sehr geringen Taktzeiten durchgeführt werden kann und damit sehr gut in einer Serienproduktion eingesetzt werden kann. Bevorzugt wird das Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min, bevorzugt von unter 6 min durchgeführt.
  • Für das gesamte erfindungsgemäße Verfahren richten sich die zu wählenden Verfahrensparameter nach der Auslegung der im Einzelfall eingesetzten Anlage und deren Auslegung, sowie den eingesetzten Materialien. Sie können durch wenige Vorversuche für den Fachmann leicht ermittelt werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mittels eines Twin-sheet-Verfahrens unter Vakuum bzw. unter Unterdruck durchgeführt werden. Die Twin-sheet-Vorrichtung ist dabei derart gestaltet, dass diese als Pressformmaschine eingesetzt werden kann.
  • Das Twin-sheet-Verfahren zeichnet sich grundsätzlich dadurch aus, dass zwei oder mehr Werkstücke in einem Verfahrensschritt im Vakuum bzw. unter Unterdruck verformt und dabei ohne Zusätze wie Klebstoffe, Schweißhilfsstoffe oder Lösungsmittel miteinander verschweißt werden. Dieser Verfahrensschritt ist in hohen Taktzeiten, wirtschaftlich und umweltfreundlich durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass dieses Verfahren durch den zusätzlichen Prozessschritt des Vorwärmens der Werkstücke durch Bestrahlung mit NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1,40 μm in Prozessschritt b) auch zur Verarbeitung von den oben genannten Hartschaumwerkstoffen, die nach Stand der Technik dazu ungeeignet schienen, verarbeitet werden können. Durch das relativ schnell durchführbare Aufheizen mit der genannten Strahlung wird eine spannungsfreie, gleichmäßige Wärmeverteilung im gesamten Werkstück erzielt. Dabei kann die Intensität der Strahlung je nach verwendetem Schaumwerkstoff im genannten Bereich variiert werden. Bei zusätzlichem Einsatz von Deckmaterialien wird die Temperatur der Heizfelder und deren Intensität dermaßen modifiziert, dass auch bei unterschiedlichen Verarbeitungs- und Formungstemperaturen Schaumkern und Deckmaterialien gemeinsam umgeformt und verbunden werden. Solche Anpassungen sind für den Fachmann mit wenigen Versuchen leicht durchführbar.
  • Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es umweltschonend und in sehr hohen Taktzeiten durchgeführt werden kann unter gleichzeitiger Zusammenfassung mehrerer Arbeitsschritte in einem Prozess.
  • Ein bevorzugtes Material für den Schaumkern stellt dabei P(M)I, insbesondere PMI dar. Solche P(M)I-Schäume werden auch als Hartschäume bezeichnet und zeichnen sich durch eine besondere Festigkeit aus. Die P(M)I-Schäume werden normalerweise in einem zweistufigen Verfahren hergestellt: a) Herstellung eines Gusspolymerisats und b) Aufschäumen dieses Gusspolymerisats.
  • Zur Herstellung des Gusspolymerisats werden zunächst Monomergemische, welche (Meth)acrylsäure und (Meth)acrylnitril, vorzugsweise in einem Molverhältnis zwischen 2:3 und 3:2, als Hauptbestandteile enthalten, hergestellt. Zusätzlich können weitere Comonomere verwendet werden, wie z. B. Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, Styrol, Maleinsäure oder Itaconsäure bzw. deren Anhydride oder Vinylpyrrolidon. Dabei sollte der Anteil der Comonomeren jedoch nicht mehr als 30 Gew% betragen. Geringe Mengen von vernetzenden Monomeren, wie z. B. Allylacrylat, können auch verwendet werden. Die Mengen sollten jedoch vorzugsweise höchstens 0,05 Gew% bis 2,0 Gew% betragen.
  • Das Gemisch für die Copolymerisation enthält ferner Treibmittel, die sich bei Temperaturen von etwa 150 bis 250°C entweder zersetzen oder verdampfen und dabei eine Gasphase bilden. Die Polymerisation erfolgt unterhalb dieser Temperatur, so dass das Gusspolymerisat ein latentes Treibmittel enthält. Die Polymerisation findet zweckmäßig in Blockform zwischen zwei Glasplatten statt.
  • In einem zweiten Schritt erfolgt dann bei entsprechender Temperatur das Aufschäumen des Gusspolymerisats. Die Herstellung solcher PMI-Schäume ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und kann beispielsweise in EP 1 444 293 , EP 1 678 244 oder WO 2011/138060 nachgelesen werden. Als PMI-Schäume seien insbesondere ROHACELL®-Typen der Firma Evonik Industries AG genannt. Bezüglich Herstellung und Verarbeitung sind zu den PMI-Schäumen Acrylimid-Schäume als Analoga anzusehen. Aus toxikologischen Gründen sind diese jedoch gegenüber anderen Schaummaterialien deutlich weniger bevorzugt.
  • Die benötigten Schaumteile können durch eine geeignete Wahl der Glasplatten oder durch eine Herstellung mittels eines In-mold-Foamings hergestellt werden. Alternativ erfolgt die Herstellung aus aufgeschäumten Schaumplatten durch Herausschneiden, Sägen oder Fräsen. Dabei können bevorzugt mehrere Schaumteile aus einer Platte geschnitten werden.
  • Die Dichte des Hartschaummaterials ist relativ frei wählbar. PMI Schäume können beispielsweise in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 eingesetzt werden.
  • Gesägte, geschnittene oder gefräste Schaumkernstücke haben dabei den Vorteil gegenüber mittels In-mold-Foaming hergestellten, dass diese an der Oberfläche offene Poren aufweisen. Beim Inkontaktbringen mit dem Harz dringt ein Teil des Harzes in diese offenen Poren an der Schaumkernoberfläche ein. Dies hat den Vorteil, dass nach Aushärtung eine besonders starke Haftung an der Grenzfläche zwischen Schaumkern und Mantelmaterial erhalten wird.
  • Neben dem beschriebenen Verfahren sind auch die mittels des Verfahrens herstellbaren Composite-Materialien Teil der vorliegenden Erfindung. Diese Composite-Materialien weisen einen Hartschaumkern aus aufgeschäumten PP, P(M)I oder hochvernetzten PU und zwei Deckschichten aus mindestens einem ausgehärteten Harz und einem Fasermaterial auf. Gegenüber dem Stand der Technik unterscheiden sich diese Composite-Materrialien dadurch, dass sich die Deckschichten aus einem Fasern enthaltenen ausgehärteten Harz bestehen und keine Verbindungselemente wie Nähte, Bolzen oder andere Krafteinleitungselemente aufweisen. Zusätzlich können sich die erfindungsgemäßen Composite-Materialien dadurch unterscheiden, dass sie keine Klebschicht zwischen Schaumkern und Deckmaterialien aufweisen müssen.
  • Grundsätzlich sind die erfindungsgemäßen Werkstücke aus einem Hartschaumstoff als Kernmaterial sehr breit einsetzbar.
  • Erfindungsgemäß hergestellte Composite-Materialien können insbesondere Anwendung in der Serienfertigung z. B. für Karosseriebau oder für Innenverkleidungen in der Automobilindustrie, Interiorteile im Schienenfahrzeugs- oder Schiffsbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Maschinenbau, beim Möbelbau oder bei der Konstruktion von Windkraftanlagen finden.
  • Beschriftung der Zeichnung
  • 1: Schematische Darstellung der Fertigung von erfindungsgemäßen Composite-Bauteilen
  • Bezugszeichenliste
    • A
    Aufheizphase
    B
    Formgebung
    1
    IR-Heizungen
    2
    Schalenwerkzeuge der Presse
    3
    Schaumkern
    4
    Fasermaterial
    5
    Harzinjektion
    6
    Composite-Material aus Schaumkern und zwei ausgehärteten Deckschichten
  • Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden für einige besondere Ausführungsformen der Erfindung allgemeine Beschreibungen aufgezeigt. Dabei enthalten diese auch Beispiele. Entsprechende Versuche konnten erfolgreich durchgeführt werden.
  • Beispiel: Fertigung von faserverstärkten Kunststoffen mit Schaumstoffkern (Compositebauteile)
  • Das Verfahren wird auf einer Twin-sheet Umformmaschine wie zum Beispiel Modell T8 von der Fa. Geiss AG, durchgeführt. Die Maschine war dabei in folgender Konfiguration ausgerüstet:
    Heizfelder mit Flash-Strahlern (NIR; 0,78–1,40 μm)
    Verstellbares Arbeitsraumfenster
    Höhenverstellbare Oberheizung
    Presskraft 30 to (min.), motorische Antriebe
    Heiz- und kühlbares Umformwerkzeug
  • Zur Veranschaulichung dieser Ausführungsform sei auf 1 verwiesen.
  • Es wird ein PMI-Schaum des Typs ROHACELL® WF-HT in der Dichte 110 Kg/m3 und der Dicke 20 mm verwendet.
  • Als Harz wurde Epikote® Resin MGS® RIMH 135 verwendet. Diesem wurde zuvor zur Härtung Epikote® Curing Agent MGS® RIMH 136 zugegeben.
  • Im Allgemeinen richten sich die zu wählenden Verfahrensparameter nach der Auslegung der im Einzelfall eingesetzten Anlage. Sie müssen durch Vorversuche ermittelt werden. So richtet sich die Führungstemperatur TF nach dem Tg(S) der PMI-Schaummatrix, nach der Umformtemperatur der Deckschichten, nach der Höheneinstellung der Oberheizung Tg(S) ≤ TF (Temperatur der Oberheizung). Dabei gilt, dass die Temperatur der Oberheizung höher einzustellen ist, umso größer der Abstand zur Schaummatrix ist. Je nach Umformgrad (Ug) der partiellen Bauteilbereiche kann auch die Strahlerfeldintensität (I) variiert werden. In Randnähe zum Niederhalter wird die Strahlerfeldintensität I nahe 100% gewählt, um ein Nachfließen des Materials zu gewährleisten und gleichzeitig die Einspannung des Materials zu erhalten.
  • Auflage des Fasermaterials: Es können z. B. drapierfähige Gewebe/Gelege aus unterschiedlichsten Faserarten oder Fasermischungen eingesetzt werden. Dies kann optional unter Einsatz eines Schmelzkleberfilmes oder -vlieses als Haftvermittler erfolgen. In konkretem Beispiel wurden oben und unten eine 500 μm dicke Schicht aus einem Carbonfaser-Flies verwendet.
  • Der umzuformende Schaumkern wird in der Heizstation mittels IR-Strahlung auf eine Innentemperatur von 220°C aufgeheizt und anschließend in das Presswerkzeug gefahren. Anschließend wird das Presswerkzeug geschlossen. Nach dem Schließen des Werkzeugs wurde oben und unten jeweils flüssige Epoxidharze in dieses injiziert. Nach der Injektion des Harzes wurde der Werkzeuginnenraum auf eine Temperatur von 180°C erhitzt.
  • Nach ca. 3 bis 4 min wird das Werkzeug auf unter 80°C abgekühlt und das Bauteil entnommen. Nach einem Wiederaufheizen des Werkzeuges kann mit der Fertigung des nächsten Composite-Bauteiles begonnen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • EP 1444293 [0047]
    • EP 1678244 [0047]
    • WO 2011/138060 [0047]
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    • U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), S. 275–9 [0008]
    • Breuer et al. [0008]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff des Schaumkerns um hochvernetztes PU, um PP oder um P(M)I handelt, und dass das Verfahren folgende Prozessschritte aufweist: i) Belegen des Schaumkerns mit einem Fasermaterial, j) Aufheizen des Schaumkerns und des Fasermaterials in einer Heizstation mit naher Infrarot-Strahlung (NIR-Strahlung), k) Überführen des aufgeheizten, mit Fasermaterial belegten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen, l) Schließen der Presse, m) Injektion eines Harzes in das Fasermaterial, n) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes, o) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und p) Öffnen der Presse und Entnahme des Composite-Materials.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NIR-Strahlung eine Wellenlänge zwischen 0,78 und 1,40 μm aufweist.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 handelt.
  4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass direkt vor oder direkt nach Prozessschritt c) ein Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft erfolgt.
  5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form eines Gewebes, Gestrickes, Gelege oder als undirektionale Schicht vorliegen.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Harz um ein Vinylesterharz, ein Epoxidharz, ein Isocyanatharz oder ein Acrylatharz handelt.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern um Kohle-, Glas-, Polymer-, Textil- oder Aramidfasern handelt.
  8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min durchgeführt wird.
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