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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern, welche für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen vorgesehen sind, wobei die Fasern zur Vorbehandlung mit einer Schlichte beaufschlagt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, ein entsprechend hergestelltes faserverstärktes Kunststoffteil sowie eine Schlichte zum Vorbehandeln von Fasern für ein faserverstärktes Kunststoffteil.
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Faserverstärkte Kunststoffteile werden üblicherweise hergestellt, in dem entsprechend geeignete Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder auch Naturfasern, in eine Polymermatrix eingebracht werden und mit dieser Polymermatrix zu einer Faser-Polymermatrix-Masse vermengt werden, wobei die Faser-Polymermatrix-Masse anschließend zu den gewünschten Kunststoffteilen weiterverarbeitet wird.
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Je nach Herstellungsverfahren werden die Fasern dabei üblicherweise mit der Polymermatrix vermengt, in dem sie einer Polymerschmelze hinzugefügt werden, mit einer als Granulat vorliegenden Polymermatrix vermengt und anschließend aufgeschmolzen werden oder aber sie werden mit einem flüssigen Polymermaterial umspritzt, getränkt oder dergleichen, wobei letzteres insbesondere bei Langfasern oder Fasergeweben Anwendung findet.
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Zur Formgebung wird die Faser-Polymermatrix-Masse im weiteren Verfahrensablauf in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließend ausgehärtet, wobei die Weiterverarbeitung von in Polymerschmelzen eingebrachten Fasern oder von mit einem Polymergranulat vermengten Fasern häufig im Spritzgussverfahren erfolgt.
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Beim Spritzgießen wird die plastifizierte bzw. aufgeschmolzene Faser-Polymer-Matrix-Masse in ein Formgebungswerkzeug, in diesem Fall in ein sogenanntes Spritzgießwerkzeug, in der Regel unter Druck eingespritzt und anschließend ausgehärtet. Das Aushärten erfolgt üblicherweise durch Abkühlen und/oder infolge einer Vernetzungsreaktion, wobei die Faser-Polymermatrix-Masse dabei wieder in den festen Zustand übergeht und nach dem Aushärten als formstabiles faserverstärktes Kunststoffteil aus dem Formwerkzeug entnommen werden kann. Der Hohlraum des Formwerkzeugs, die sogenannte Kavität, bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Kunststoffteils.
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Bei faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere bei kurzfaserverstärkten Kunststoffen, die im Spritzgussverfahren hergestellt worden sind, hängen die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit vor allem von der Art und vom Gehalt der Faserverstärkung ab und weniger von der Polymermatrix. Eine große Rolle spielen dabei die Länge und der Durchmesser der in der Polymermatrix verteilten Fasern sowie die Orientierung der Fasern und deren Verteilung. Dabei ist die Festigkeit faserverstärkter Kunststoffteile in Faserlängsrichtung in der Regel deutlich größer als in Faserquerrichtung.
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Insbesondere beim Spritzgießen wird die Orientierung der Fasern vor allem durch die Geometrie des Kunststoffteils und die daraus resultierenden Strömungsverhältnisse und -vorgänge während des Spritzgießprozesses beeinflusst. Die sich ergebende Faserorientierung ist dabei insbesondere abhängig von den sich innerhalb der Faser-Polymermatrix-Masse einstellenden Schergeschwindigkeiten beim Befüllen des Formwerkzeugs mit der Faser-Polymermatrix-Schmelze.
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Das sich beim Befüllen des Formwerkzeugs einstellende, parabolische Geschwindigkeitsprofil weist unterschiedliche Schergeschwindigkeiten auf, wodurch es in der Regel aufgrund der dabei auftretenden Scherkräfte zu einem schichtförmigen Materialaufbau des faserverstärkten Kunststoffs im Formwerkzeug kommt. Infolgedessen richten sich die in der Polymermatrix verteilten Fasern mit ihrer Längsrichtung in den einzelnen Schichten in unterschiedlichen Richtungen aus.
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Am Rand des Formwerkzeugs erstarrt die Faser-Polymermatrix-Schmelze meistens sehr schnell und es entsteht eine nahezu regellose Faserorientierung. Es kann sogar zu einer nahezu faserfreien Randzone kommen. Im Zentrum der Kavität des Formwerkzeugs, in welchem sich in der Regel eine laminare Strömung ausbildet, richten sich die Fasern im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung der Faser-Polymermatrix-Schmelze aus, insbesondere quer zur Fließrichtung.
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Zwischen den Randschichten und der Kernschicht im Zentrum der Kavität wird die Faser-Polymermatrix-Schmelze orientieren sich die Fasern größtenteils in Fließrichtung. D.h. die während des Befüllens des Formwerkzeugs herrschenden Strömungsverhältnisse bewirken in der Regel einen Schichtaufbau innerhalb des faserverstärkten Kunststoffteils mit mehreren Schichten unterschiedlicher Faserorientierung.
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Da die Festigkeit faserverstärkter Kunststoffteile wie vorstehend erwähnt, jedoch in Faserlängsrichtung in der Regel deutlich größer ist als in Faserquerrichtung, ist ein entsprechender Schichtaufbau mit unterschiedlich orientierten Fasern insbesondere bei Bauteilen mit einer Hauptbelastungsrichtung unerwünscht.
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Bei durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren hergestellten, kurzfaserverstärkten Kunststoffteilen beträgt am Ende des Formgebungsprozesses der Anteil der in Fließrichtung orientierten Fasern durchschnittlich weniger als 60%, so dass es in der Regel nicht möglich ist, das volle Potential der Faserverstärkung in der Polymermatrix auszunutzen.
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Um die Schichtdicken der Schichten mit unerwünscht orientierten Fasern, insbesondere die Schichtdicke der Schichten mit im Wesentlichen quer zur Fließrichtung orientierten Fasern, möglichst gering zu halten, werden die Formwerkzeuge daher häufig strömungsoptimiert ausgelegt, um den laminaren Strömungsbereich, in welchem sich die Fasern üblicherweise quer zur Fließrichtung ausrichten, weitestgehend zu reduzieren. Dies ist jedoch häufig sehr aufwendig und kostenintensiv und auch nicht in allen Fällen in ausreichendem Maße möglich.
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Können in einem faserverstärkten Kunststoffteil Bereiche mit entgegen der Hauptbelastungsrichtung orientierten Fasern nicht oder nicht ausreichend vermieden werden, welche zur Festigkeit des faserverstärkten Kunststoffteils in der Hauptbelastungsrichtung nicht wesentlich beitragen, weist das Kunststoffteil somit einen nicht optimalen Materialnutzungsgrad auf, was hinsichtlich Gewicht und Kosten nachteilig ist.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Kunststoffteil, mit welchem eine gleichmäßigere Faserorientierung erreicht werden kann, vorzugsweise eine gleichmäßigere Orientierung der Fasern in Fließrichtung, insbesondere ein größerer Anteil der in Fließrichtung orientierten Fasern, so dass im Ergebnis ein besserer Materialnutzungsgrad für faserverstärkte Kunststoffteile erreicht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils mit den Merkmalen von Anspruch 3, ein erfindungsgemäßes, faserverstärktes Kunststoffteil mit den Merkmalen von Anspruch 7 sowie durch eine erfindungsgemäße Schlichte zum Vorbehandeln von Fasern für ein faserverstärktes Kunststoffteil mit den Merkmalen von Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche der Beschreibung und der Figuren und werden im Folgenden näher erläutert.
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Bei einem Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern, die für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen vorgesehen sind, werden die Fasern zur Vorbehandlung mit einer Schlichte beaufschlagt, wobei die Schlichte erfindungsgemäß magnetische Partikel enthält.
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Unter einer Schlichte wird dabei im Sinne der Erfindung eine chemische Zusammensetzung verstanden, welche vorzugsweise als Haftvermittler wirkt und dazu dienen soll, die Haftung zwischen den Fasern und der Polymermatrix zu verbessern und/oder herzustellen.
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Das Vorbehandeln von Fasern, welche für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen vorgesehen sind, durch Beaufschlagen mit einer Schlichte, ist aus dem Stand der Technik dabei grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der
DE 698 26 862 T2 .
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Neben der Verbesserung der Haftung zwischen den Fasern und der Polymermatrix können durch Beaufschlagen der Fasern mit einer entsprechend geeigneten Schlichte häufig auch die Verarbeitungseigenschaften der Fasern verbessert werden, je nach Zusammensetzung der Schlichte.
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Das Beaufschlagen der Fasern mit der Schlichte erfolgt dabei bevorzugt durch Sprühen, d.h. bevorzugt werden die vorzubehandelnden Fasern mit einer Schlichte, welche magnetische Partikel enthält, besprüht. Selbstverständlich können die Fasern aber auch in der Schlichte getränkt werden oder auf andere Art und Weise mit der Schlichte beaufschlagt werden, zum Beispiel benetzt werden. Besonders bevorzugt werden die Fasern dabei derart mit der Schlichte beaufschlagt, dass sich jeweils ein nahezu vollständig geschlossener Schlichtefilm um die einzelnen Fasern herumlegt.
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Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Schlichtefilm vollständig geschlossen ist um die Fasern herum. Es ist lediglich wichtig, dass die Fasern derart mit der Schlichte beaufschlagt werden, dass die magnetischen Partikel sich zumindest teilweise an die Fasern anheften und möglichst an den Fasern während des Formgebungsprozesses haften bleiben.
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Im Sinne der Erfindung ist unter dem Begriff Formgebungsprozess dabei der gesamte Prozess vom Einbringen der Faser-Polymermatrix-Masse in das Formwerkzeug bis zum Vorliegen eines formstabilen, faserverstärkten Kunststoffteils zu verstehen.
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Je nach Zusammensetzung der Schlichte kann es dabei erforderlich sein, dass die Fasern nach dem Beaufschlagen mit der Schlichte mit den magnetischen Partikeln zunächst getrocknet werden müssen, bevor sie in die Polymermatrix eingebracht werden und mit dieser vermengt werden können. Dies ist häufig bei wässrigen Schlichtezusammensetzung erforderlich. Es sind aber auch Schlichtezusammensetzungen aus dem Stand der Technik bekannt, welche auf nichtwässriger Basis zusammengesetzt sind und bei welchen ein aufwendiger Trocknungsvorgang entfallen kann, beispielsweise aus der
DE 698 26 862 T2 .
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Durch das Beaufschlagen der für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen vorgesehenen Fasern mit einer Schlichte, welche magnetische Partikel enthält, welche sich zumindest teilweise an die Fasern anheften, werden die Fasern magnetisiert und/oder können magnetisiert werden, so dass bei einem folgenden Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils während des Formgebungsprozesses durch entsprechend während des Formgebungsprozesses auf die Faser-Polymermatrix-Masse wirkende Magnetfelder die Faserorientierung gezielt beeinflusst werden kann.
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Als Polymermatrix eignen sich insbesondere thermoplastische Polymere wie beispielsweise Polyetherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Polymermatrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Polymermatrix sind faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Polymermatrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Fasergehalt sinkt ihre Kriechneigung.
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Ebenfalls gut geeignet als Polymermatrix sind duroplastische Polymere wie beispielsweise Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF) oder Polyurethan (PUR). Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Polymermatrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Polymermatrix im Gegensatz zu den faserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischer Polymermatrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf und üblicherweise höhere Festigkeiten als faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Polymermatrix.
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Für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen eignen sich insbesondere Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern sowie bestimmte Naturfasern, wie beispielsweise Flachsfasern, Hanffasern, Holzfasern oder Sisalfasern.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern, welche für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen vorgesehen sind, eignet sich dabei sowohl zur Vorbehandlung von sogenannten Kurzfasern, unter welchen im Sinne der Erfindung im Zusammenhang mit faserverstärkten Kunststoffen Fasern mit einer Länge von etwa 0,1 bis 1 mm verstanden werden, als auch zur Behandlung von Langfasern, unter welchen im Sinne der Erfindung Fasern mit einer Länge von etwa 1 bis 50 mm verstanden werden, sowie zur Vorbehandlung von Endlosfasern, welche in der Regel eine Länge über 50 mm aufweisen.
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Die magnetischen Partikel, welche die Schlichte erfindungsgemäß aufweist, mit welcher die Fasern beaufschlagt werden, sind vorzugsweise magnetische Nanopartikel, insbesondere magnetische Nanopartikel eines Ferrofluids. Vorzugsweise weisen die magnetischen Partikel dabei eine Partikelgröße von etwa 5 nm bis 100 nm auf.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, bei welchem die Fasern in einem ersten Schritt vorbehandelt werden, bevor sie in einem weiteren Schritt in eine Polymermatrix eingebracht werden und zu einer Faser-Polymermatrix-Masse vermengt werden und im weiteren Verfahrensablauf mittels eines Formwerkzeugs zu wenigstens einem Kunststoffteil geformt werden, werden die Fasern erfindungsgemäß mit einem vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Schlichte vorbehandelt, welche magnetische Partikel enthält.
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Ein faserverstärktes Kunststoffteil im Sinne der Erfindung kann dabei sowohl ein faserverstärktes Halbzeug, beispielsweise ein Prepreg oder dergleichen, als auch ein faserverstärktes Bauteil sein.
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Um eine gewünschte, vorteilhafte Faserorientierung im Kunststoffteil zu erreichen, wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils das Formwerkzeug, mit dem die Faser-Polymermatrix-Masse im weiteren Verfahrensablauf zu wenigstens einem Kunststoffteil geformt wird, während des Formgebungsvorgangs zumindest zeitweise, d.h. während wenigstens eines Zeitintervalls, und zumindest teilweise lokal, d.h. zumindest lokal in einigen Bereichen des Formwerkzeugs, magnetisiert, um die Orientierung der Fasern in der Faser-Polymermatrix-Masse während des Formgebungsvorgangs gezielt zu beeinflussen, insbesondere derart, dass sich im Vergleich zu einem unmagnetisierten Formwerkzeug ein höherer Anteil an in Fließrichtung orientierten Fasern einstellt. In einigen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, das gesamte Formwerkzeug zu magnetisieren.
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In einer alternativen, aber ebenfalls bevorzugten Ausführungsform wird nicht das Formwerkzeug selbst magnetisiert, sondern es ist eine entsprechende Magnetfelderzeugungsvorrichtung vorgesehen, welche ein Magnetfeld mit dem gleichen Effekt im Formwerkzeug erzeugt.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Vorbehandlung der Fasern, bei welcher die Fasern mit einer Schlichte mit magnetischen Partikeln beaufschlagt worden sind, wobei die Partikel zumindest teilweise an den Fasern anhaften, sind die Fasern magnetisch, so dass durch die Magnetisierung des Formwerkzeugs bzw. durch das Erzeugen eines entsprechend geeigneten Magnetfeldes, die Faserorientierung innerhalb der Polymermatrix gezielt beeinflusst werden kann.
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Besonders bevorzugt kann dabei wenigstens ein Magnetfeld gezielt in Amplitude, Frequenz und Intensität derart eingestellt werden, dass sich die Fasern entsprechend der gewünschten Faserorientierung ausrichten, insbesondere in Fließrichtung. Das hierfür erforderliche Magnetfeld des Formwerkzeugs ist dabei vorzugsweise derart ausgeprägt, dass die durch die Strömungsvorgänge auftretenden Scherkräfte, welche eigentlich eine Orientierung der Fasern quer zur Fließrichtung bewirken, überwunden werden, so dass sich die Fasern insbesondere auch im Bereich der laminaren Strömung im Zentrum der Kavität des Formwerkzeugs im Wesentlichen in Fließrichtung ausrichten.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Formwerkzeug dabei abhängig von einem Befüllvorgang magnetisiert. D.h. das Magnetfeld wird bevorzugt abhängig vom Befüllungszustand des Formwerkzeugs mit der Faser-Polymermatrix-Masse bzw. der Faser-Polymermatrix-Schmelze erzeugt. Dadurch kann eine gleichmäßigere und damit vorteilhaftere Faserorientierungsverteilung im Kunststoffteil erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßes faserverstärktes Kunststoffteil ist dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils hergestellt ist und erfindungsgemäß vorbehandelte Fasern, welche zur Vorbehandlung mit einer erfindungsgemäßen Schlichte mit metallischen Partikeln beaufschlagt worden sind, aufweist.
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Ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil weist bevorzugt an den Fasern anhaftende, magnetische Partikel auf, insbesondere magnetische Nanopartikel, besonders bevorzugt magnetische Nanopartikel eines Ferrofluids. Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil dabei im Spritzgussverfahren hergestellt.
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Charakteristisch für ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil ist dabei ferner, dass die Faserorientierung der Fasern dabei nicht nur durch die Fließrichtung bestimmt ist, sondern dass die einzelnen Fasern auch im Zentrum der Kavität des Formwerkzeugs, insbesondere im Bereich einer laminaren Strömung, vermehrt in Fließrichtung orientiert sind und nicht quer dazu.
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Eine erfindungsgemäße Schlichte zum Vorbehandeln von Fasern für ein faserverstärktes Kunststoffteil, insbesondere zum Beaufschlagen von derartigen Fasern, enthält erfindungsgemäß magnetische Partikel.
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Vorzugsweise enthält die Schlichte dabei magnetische Nanopartikel, insbesondere magnetische Nanopartikel eines Ferrofluids. Besonders bevorzugt weisen die Nanopartikel dabei eine Größe von 5nm bis etwa 100nm auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schlichte dabei derart ausgebildet und auf die Fasern abgestimmt, dass die magnetischen Partikel sich zumindest teilweise an die Fasern anheften, wobei die magnetischen Partikel, vorzugsweise auch während des Formgebungsprozesses, insbesondere auch zum größten Teil, an den Fasern haften bleiben, so dass durch ein entsprechend ausgebildetes Magnetfeld die Faserorientierung der Fasern in der Faser-Polymermatrix-Masse, insbesondere während des Formgebungsprozesses, beeinflusst werden kann.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Manche der genannten Merkmale bzw. Eigenschaften betreffen sowohl ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil als auch eine erfindungsgemäße Schlichte zur Vorbehandlung von Fasern für ein faserverstärktes Kunststoffteil. Einige dieser Merkmale und Eigenschaften werden nur einmal beschrieben, gelten jedoch unabhängig voneinander im Rahmen technisch möglicher Ausgestaltungen sowohl für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern für ein faserverstärktes Kunststoffteil, für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, für ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil als auch für eine erfindungsgemäße Schlichte.
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Die in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines fahrzeugverstärkten Kunststoffteils ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil sowie eine erfindungsgemäße Schlichte zur Vorbehandlung von Fasern.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Formwerkzeug mit einem darin aufgenommenen, durch ein Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellten, faserverstärkten Kunststoffteil in einem Zustand am Ende eines Formgebungsvorgangs und
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2 ebenfalls in schematischer Darstellung, ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil in einem Formwerkzeug am Ende des Formgebungsvorgangs nach der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein als Spritzgusswerkzeug ausgebildetes Formwerkzeug 11 in einem Zustand am Ende des Formgebungsvorgangs mit einem noch darin befindlichen faserverstärkten Kunststoffteil 10, wobei das faserverstärkte Kunststoffteil durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren hergestellt worden ist.
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Die in der Polymermatrix eingebetteten Fasern 12a und 12b des faserverstärkten Kunststoffteils 10 haben sich während Befüllvorgangs des Formwerkzeugs 11 mit der Faser-Polymermatrix-Schmelze aufgrund der sich dabei ausbildenden Strömungsverhältnisse und -vorgänge mit unterschiedlichen Faserorientierungen in der Kavität des Formwerkzeugs 11 verteilt.
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Ganz am Rand des Formwerkzeugs 11 sind die Fasern dabei regellos orientiert. In einer daran angrenzenden Schicht zwischen der Randschicht und dem Zentrum der Kavität des Formwerkzeugs 11 sind die Fasern 12a in Fließrichtung V . orientiert, was in 1 durch die Fasern 12a symbolisch dargestellt ist. Ein großer Teil der Fasern ist jedoch senkrecht zur Fließrichtung V ., insbesondere quer zur Fließrichtung V . orientiert, und zwar die Fasern 12b im Zentrum der Kavität des Formwerkzeugs 11.
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Eine derartige Faserorientierung, bei der am Ende des Formgebungsprozesses durchschnittlich weniger als 60% der Fasern in Fließrichtung V . orientiert sind, stellt sich bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen häufig ein, insbesondere beim Spritzgießen. In der Regel sind es lediglich ungefähr 50% der Fasern, die in Fließrichtung V . orientiert sind, während etwa 20% bzw. 30% der Fasern im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung ausgerichtet sind.
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D.h. mit anderen Worten bezogen auf das in
1 gezeigte Ausführungsbeispiel, dass sich nur etwa 50% der Fasern in Fließrichtung V . bzw. in diesem Fall in z-Richtung ausrichten und etwa 20% in x-Richtung und etwa 30% in y-Richtung. In Tensorschreibweise ausgedrückt durch den Tensor T
FOD für die Faserorientierungsverteilung (Fiber Orientation Distrubution) mit
wobei der Tensor T
FOD den Anteil der in den jeweiligen Raumrichtungen x, y und z orientierten Fasern angibt, ergibt sich für das in
1 gezeigte Kunststoffteil
10 wie für viele, durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren hergestellte faserverstärkte Kunststoffteile
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Mit einer derartig ungleichmäßigen Verteilung der Faserorientierung, insbesondere bei Bauteilen mit einer Hauptbelastungsrichtung, kann jedoch häufig nicht das volle Potenzial der Faserverstärkung in der Polymermatrix ausgenutzt werden.
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2 zeigt, ebenfalls in schematischer Darstellung, ein erfindungsgemäßes Kunststoffteil 20 in einem während des Formgebungsprozesses zumindest zeitweise und lokal magnetisierbaren Formwerkzeug 21 am Ende des Formgebungsvorgangs nach der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils.
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Das in
2 gezeigte, erfindungsgemäße faserverstärkte Kunststoffteil
20 weist dabei einen Anteil von über 80 % an Fasern
22a und
22b auf, die in Fließrichtung V . orientiert sind, d.h. in diesem Fall in z-Richtung. Nur noch ein kleiner Anteil der Fasern von weniger als 10% ist jeweils in den Richtungen x und y senkrecht zur Fließrichtung V . orientiert. D.h. mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können faserverstärkte Kunststoffteile hergestellt werden, für die gilt:
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Dieser hoher Anteil der in Fließrichtung ausgerichteten Fasern 22a und 22b wurde erreicht, in dem die für die Herstellung des faserverstärkten Kunststoffteils 20 vorgesehenen Fasern 22a und 22b zunächst gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbehandlung der Fasern 22a und 22b mit einer erfindungsgemäßen Schlichte beaufschlagt worden sind, welche erfindungsgemäß magnetische Partikel enthält. Dabei haben sich die magnetischen Partikel an die Fasern 22a und 22b angeheftet, so dass die Fasern 22a und 22b magnetisiert sind.
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Anschließend wurden diese Fasern 22a und 22b mit den daran anhaftenden, magnetischen Partikeln, wobei sich gezeigt hat, dass magnetische Nanopartikel eines Ferrofluids mit einer Größe von etwa 5 nm bis 100 nm besonders geeignet sind, in eine Polymermatrix eingebracht und mit der Polymermatrix zusammen in Form einer Faser-Polymermatrix-Schmelze in das Formwerkzeug 21 eingebracht.
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Während des Formgebungsprozesses, insbesondere bereits während des Befüllvorgangs des Formwerkzeugs 21, d.h. bereits während des Einbringens der Faser-Polymermatrix-Schmelze in das Formwerkzeug 21, wurde ein Magnetfeld 23 an das Formwerkzeug 21 angelegt, wobei dazu insbesondere das Formwerkzeug 21 magnetisiert wurde.
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Das Magnetfeld 23 wurde dabei gezielt in Abhängigkeit vom Füllzustand und den sich ausbildenden Strömungsverhältnissen und -vorgängen angelegt, wobei das Magnetfeld 23 dazu hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Intensität derart gezielt geregelt wurde, dass die Fasern 22a und 22b sich bevorzugt in Fließrichtung V . ausrichten.
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Das Formwerkzeug 21 weist dazu entsprechende, hier nicht dargestellte, aber zeitlich regelbare und auf die Geometrie des Kunststoffbauteils 20 abgestimmte, örtlich begrenzt wirkende Elektromagnete auf. Mit diesen können abhängig vom Befüllvorgang des Formwerkzeugs 21 zeitlich, in der Amplitude und der Intensität geregelte und lokal begrenzte Magnetfelder 23 an das Formwerkzeug 21 angelegt werden und somit die Orientierung mittels der magnetischen Partikel magnetisierten Fasern 22a und 22b in der Faser-Polymermatrix-Masse bzw. Faser-Polymermatrix-Schmelze während des Formgebungsprozesses gezielt und in der gewünschten Art und Weise beeinflusst werden.
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Durch Anlegen eines oder mehrerer entsprechender Magnetfelder 23 kann der Orientierungsgrad der Fasern 22a und 22b in Fließrichtung V . erhöht werden und folglich die Festigkeit und Steifigkeit des auf diese Weise hergestellten Kunststoffteils 20, insbesondere in Fließrichtung. Dadurch wiederum sind geringere Wandstärken möglich, was mit einem geringeren Materialverbrauch einhergeht. Ferner ist die Werkzeugschwindung aufgrund der gleichmäßiger verteilten Faserorientierung kontrollierbarer.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils kann bei geeigneter Durchführung die Faserorientierung derart gezielt beeinflusst werden, dass im Ergebnis am Ende des Formgebungsvorgangs mehr als 80% der Fasern in Fließrichtung V . ausgerichtet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69826862 T2 [0019, 0024]
