DE102014119529A1

DE102014119529A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen

Info

Publication number: DE102014119529A1
Application number: DE102014119529.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nendel; Mirko Spieler; Holger Wörl; Christoph Wolfram Doerffel; Jens Czäczine
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bei dem eine Fasermatte mit einem Kunststoff imprägniert wird oder mehrere imprägnierte Fasermatten konsolidiert werden, bei dem eine Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen einer Fasermatte und einer Kunststofffolie oder einer imprägnierten Fasermatte erzeugt wird und diese Sandwichstruktur erwärmt wird, so dass die Kunststofffolie oder die imprägnierte Fasermatte zumindest an der inneren Grenzfläche der Sandwichstruktur aufgeschmolzen wird. Um ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bereitzustellen, das den Kunststoff nur sehr kurzzeitig erwärmt, aber dennoch für ein zuverlässiges Aufschmelzen der beteiligten Kunststoffe sorgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Erwärmung der Sandwichstruktur diese zwischen und in Kontakt mit einer Siegelfläche einer Sonotrode und einer Siegelfläche eines Gegenwerkzeug positioniert wird und die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen.
Die Bedeutung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen nimmt stetig zu. Faserverstärkte Kunststoffe sind Werkstoffe, die aus hochfesten/hochsteifen Fasern und einer Kunststoffmatrix bestehen. Die Kunststoffmatrix umgibt dabei die hochfesten Fasern. Da faserverstärkte Kunststoffe trotz niedrigem Gewicht in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, werden sie insbesondere für Leichtbauanwendungen eingesetzt. Um entsprechende faserverstärkte Kunststoffbauteile herzustellen, wird in der Regel zunächst eine Fasermatte aus „trockenen“ Verstärkungsfasern, wie zum Beispiel Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Kunststofffasern oder Naturfasern, mit dem Kunststoff imprägniert. Dabei kann die Fasermatte aus unidirektionalem Material bestehen oder sie kann als textile Struktur, wie zum Beispiel als Gelege, Gewebe, Gewirke, Gestricke oder Gesticke, ausgebildet sein.
Bei der Imprägnierung muss darauf geachtet werden, dass jedes Filament von Matrixmaterial umschlossen wird. Entsprechend imprägnierte bzw. vorimprägnierte Fasermatten werden auch als „Prepregs“ bezeichnet. In der Regel kommen als Kunststoffmaterial duroplastische Matrixmaterialien zum Einsatz, da diese niedrigviskos sind und problemlos die Filamente durchdringen. Wünschenswert sind jedoch auch thermoplastische Halbzeuge, insbesondere für große Serienanwendungen, da sie nahezu unbegrenzt lagerbar und besser transportier- und handhabbar sind. Zudem sind die Verarbeitungszeiten von thermoplastischen Halbzeugen kürzer.
Thermoplastschmelzen haben jedoch eine im Vergleich zu Duroplasten deutlich höhere Viskosität und durchdringen selbst dünne Bündel aus Verstärkungsfasern, sogenannte Rovings, nur sehr schwer und häufig nur in den Randbereichen. Zudem sind die Verstärkungsfasern in der Regel kalt, was die Imprägnierung weiter erschwert.
Für die Imprägnierung von Rovings mit Thermoplasten kommen im Wesentlichen vier unterschiedliche Imprägniertechnologien zum Einsatz.
Bei der Schmelzimprägnierung wird eine Fasermatte mit einer Thermoplastschmelze umspritzt und durch eine beheizte Einwalkstrecke geführt. Danach wird das Material durch ein Kalandrierwalzenpaar geführt.
Bei der Pulverimprägnierung wird das Thermoplast in Pulverform auf die Fasermatte gleichmäßig aufgebracht und durchläuft dann eine Heizstrecke, in der das Pulver aufschmelzt. Im Anschluss an die Heizstrecke wird die Matte durch Imprägnierwalzen geführt, die das geschmolzene thermoplastische Material in die Matte einarbeiten. Im Anschluss daran wird das Material durch ein Kalandrierwalzenpaar geführt.
Bei der Lösungsmittelimprägnierung wird das thermoplastische Material als Granulat in einem Lösemittel in einem Imprägnierbad vorgehalten, durch das die Fasermatte geführt wird. Im Anschluss daran muss die Fasermatte eine Trockenstrecke durchlaufen, in der das Lösemittel verdunstet.
Schließlich kommt noch die sogenannte Film-Stacking-Imprägnierung zum Einsatz, bei der eine Fasermatte beidseitig mit einer Thermoplastfolie bedeckt wird und die dadurch entstehende Sandwichstruktur durch eine Doppelbandpresse geführt wird, in der zunächst eine Heiz- und dann eine Kühlstrecke durchlaufen wird. Bei der Film-Stacking-Imprägnierung ist zwischen isochorer Betriebsart, in welcher der Spalt zwischen der Doppelbandpresse konstant ist und die Bewegung des Materials durch die Doppelbandpresse gesteuert wird, und isobarer Betriebsart, bei der ein konstanter Druck aufgebracht wird, der entsprechend geregelt wird, zu unterscheiden. Beide Betriebsarten müssen für die Verarbeitung von Thermoplast über eine Heizzone und eine Kühlzone verfügen und sind mit den entsprechenden thermischen Verlusten behaftet. Des Weiteren ist aufgrund der langsamen Wärmedurchdringung des Materials die Prozessgeschwindigkeit limitiert. Zwar ist der Übergang des thermoplastischen Materials vom festen in den schmelzflüssigen Zustand prinzipiell reversibel und daher theoretisch beliebig oft wiederholbar, in der Praxis wird jedoch eine Reduktion des Molekulargewichtes bei jedem Schmelzvorgang beobachtet. Das Molekulargewicht stellt ein Maß für die Anzahl der Monomerwiederholeinheiten in der Kette dar. Eine Reduktion des Molekulargewichtes bedeutet daher eine Verkürzung der Polymerketten. Diese wird im Wesentlichen durch eine Oxidation, die bei Kontakt mit entweder Luftsauerstoff oder auch mit im Polymer selbst gelöstem Sauerstoff verursacht. Je länger daher der Schmelzzustand anhält, umso größer ist der negative Einfluss des Oxidationsvorgangs auf das Kunststoffmaterial.
Die beschriebenen Probleme, insbesondere bei der Verwendung von thermoplastischem Kunststoff, ergeben sich auch bei dem sich in der Regel anschließenden Verfahrensschritt, bei dem mehrere, in der Regel mindestens drei, imprägnierte Fasermatten, sogenannte Prepregs, aufeinandergelegt und diese Sandwichstruktur so miteinander verbunden, dass sich die Kunststoffmatrix der Prepregs miteinander verbinden. Dieser Vorgang wird auch als Konsolidieren bezeichnet. Das entstehende Halbzeug wird auch als Organoblech bezeichnet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bereitzustellen, das den Kunststoff nur sehr kurzzeitig erwärmt, aber dennoch für ein zuverlässiges Aufschmelzen der beteiligten Kunststoffe sorgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Fasermatte mit einem Kunststoff imprägniert wird oder mehrere imprägnierte Fasermatten konsolidiert werden, bei dem eine Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen einer Fasermatte und einer Kunststofffolie oder durch Übereinanderlegen von imprägnierten Fasermatten erzeugt wird und diese Sandwichstruktur erwärmt wird, sodass die Kunststofffolie oder die imprägnierte Fasermatte zumindest an der inneren Grenzfläche der Sandwichstruktur aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemäß wird zur Erwärmung der Sandwichstruktur diese zwischen und in Kontakt mit einer Siegelfläche einer Sonotrode und einer Siegelfläche eines Gegenwerkzeuges positioniert und die Sonotrode wird mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt.
Die Bearbeitung mittels Ultraschall erlaubt es, zielgerichtet Wärme an den Kontaktflächen der Sandwichstruktur zu erzeugen, sodass mit sehr geringer Energie die Sandwichstruktur effektiv lokal aufgeschmolzen wird, was zu einer effektiven Imprägnierung oder Konsolidierung der Sandwichstruktur führt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise Prepregs, d.h. vorimprägnierte faserverstärkte Halbzeuge, hergestellt werden, indem eine Fasermatte und eine Kunststoffmatte übereinandergelegt werden und dadurch die Sandwichstruktur gebildet wird.
In gleicher Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Organobleche, d.h. Faser-Matrix-Halbzeuge, herzustellen, indem als Sandwichstruktur mehrere Prepregs übereinandergelegt werden und diese mittels Ultraschall konsolidiert werden.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zunächst zur Herstellung von Prepregs verwendet werden und dann das gleiche Verfahren verwendet werden, um aus den derart hergestellten Prepregs Organobleche herzustellen.
Aufgrund der gezielten Wärmeeinbringung ist das Verfahren besonders geeignet, wenn als Kunststoff ein Thermoplast wie zum Beispiel Polypropylen oder Polyamid verwendet wird.
Bei der Erwärmung wird die mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagte Sonotrode auf die Sandwichstruktur gedrückt, sodass diese zwischen der Siegelfläche der Sonotrode einerseits und der Siegelfläche des gegenüberliegenden Gegenwerkzeuges andererseits eingeklemmt ist.
Prinzipiell ist es auch möglich, dass das Gegenwerkzeug mit Ultraschall beaufschlagt wird, sodass im Grunde genommen die Sandwichstruktur zwischen zwei Sonotroden hindurchgeführt wird.
Durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren können entsprechende faserverstärkte Halbzeuge einfach, zuverlässig und mit geringer Energie hergestellt werden. Diese Halbzeuge haben, wie auch die entsprechenden Halbzeuge des Standes der Technik, gleichmäßige Verbundeigenschaften.
Gleichmäßige Verbundeigenschaften sind grundsätzlich gewünscht, da anderenfalls auch das aus dem Halbzeug hergestellte Fertigteil variierende Verbundeigenschaften aufweisen würde.
Allerdings kann eine gezielte Variation der Verbundeigenschaften bei der Weiterverarbeitung des Halbzeuges zum Fertigteil von Vorteil sein, wenn das Halbzeug durch Umformen zum Fertigteil weiterbearbeitet wird.
Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Materials weist das Material auch nach dem Umformen häufig die Tendenz auf, wieder in den ebenen Zustand zurückzukehren, sodass der Umformprozess aufwendiger gestaltet werden muss und gegebenenfalls im Fertigteil zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um sicherzustellen, dass das Fertigteil seine vorgesehene Form beibehält.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann einfach weiterentwickelt werden, um Halbzeuge mit gezielter Variation der Verbundeigenschaften herzustellen. So ist es in einer bevorzugten Ausführungsform möglich, dass Frequenz und/oder Amplitude der mit Hilfe der Sonotrode auf die Sandwichstruktur aufgebrachten Ultraschallschwingung und/oder die Kraft, mit der die Sonotrode auf die Sandwichstruktur drückt, während der Erwärmung variiert wird. Durch diese Maßnahme wird das faserverstärkte Halbzeug Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung bzw. Konsolidierung und Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung bzw. Konsolidierung aufweisen.
Durch die Verwendung von Ultraschall kann daher beispielsweise die Sonotrode in regelmäßigen Abständen kurzzeitig abgeschaltet oder von der Sandwichstruktur entfernt werden, um Bereiche im Halbzeug zu erzeugen, die nahezu keine oder eine geringe Imprägnierung oder Konsolidierung aufweisen. Diese Bereiche können dann im fertigen Bauteil eine Position einnehmen, in der das Bauteil stark gekrümmt ist, d.h. einen sehr kleinen Biegeradius aufweist, der mit den bekannten Halbzeugen nicht ohne Weiteres verwirklichbar wäre.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Sandwichstruktur kontinuierlich zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges hindurchbewegt, wobei vorzugsweise die Siegelfläche der Sonotrode und/oder die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges rotationssymmetrisch ausgebildet ist bzw. sind, wobei die rotationssymmetrische Siegelfläche während der Erwärmung um ihre Rotationsachse gedreht wird, sodass die Umfangsgeschwindigkeit der rotationssymmetrischen Siegelflächen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Sandwichstruktur übereinstimmt. Besonders bevorzugt wird sowohl eine walzenförmige Sonotrode als auch ein walzenförmiges Gegenwerkzeug verwendet.
Bei dieser Ausführungsform kann kontinuierlich, d.h. ohne nennenswerte Unterbrechung, das entsprechende Halbzeug nahezu unendlich hergestellt und entsprechend auf Rollen aufgewickelt werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der Frequenz und/oder Amplitude der mit Hilfe der Sonotrode auf die Sandwichstruktur aufgebrachten Ultraschallschwingung und/oder die Kraft, mit der die Sonotrode auf die Sandwichstruktur drückt, während der Erwärmung mehrfach variiert wird, sodass das faserverstärkte Halbzeug in Bewegungsrichtung mindestens zwei Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, und mindestens zwei Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, aufweist.
Insbesondere dann, wenn entsprechende Halbzeugbahnen auf Rollen gewickelt werden, ist es von Vorteil, wenn Kennzeichnungsmaßnahmen ergriffen werden, anhand derer am hergestellten Halbzeug die Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung und die Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung lokalisiert werden können.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die für die Erwärmung verwendete Vorrichtung ein Markierungselement, wie zum Beispiel ein Schneidmesser, aufweist, das immer dann, wenn die in die Sandwichstruktur eingebrachte Energie reduziert wird, die Sandwichstrukturbahn einkerbt. Alternativ dazu ist es natürlich auch möglich, dass die Variation der Fertigungsdaten, wie zum Beispiel die Frequenz und/oder die Amplitude der Ultraschallschwingung und/oder die Kraft, mit der die Sonotrode auf die Sandwichstruktur drückt, erfasst werden und diese Daten mit dem faserverstärkten Halbzeug verknüpft werden, sodass bei der Weiterverwendung des faserverstärkten Halbzeugs auf diese Daten zugegriffen werden kann und dadurch ermittelbar ist, wo die einzelnen Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften angeordnet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zunächst zwei Prepregs mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Bereichen unterschiedlicher Imprägnierung hergestellt. Diese werden dann, um ein Organoblech herzustellen, derart aufeinandergelegt, dass die Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung des einen Prepregs neben den Bereichen mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung des anderen Prepregs liegen. In gleicher Weise liegen dann Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung der beiden Prepregs aufeinander.
Die beiden Prepregs können nun konsolidiert werden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn auch bei der Erwärmung der aus den Prepregs bestehenden Sandwichstruktur Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Konsolidierung und Bereiche mit relativ hoher Konsolidierung derart angeordnet werden, dass die Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Konsolidierung des Organobleches mit den Bereichen mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung der Prepregs übereinstimmen. Mit anderen Worten erfolgt eine eingeschränkte Konsolidierung exakt in den Bereichen der Prepregs, in der diese eine reduzierte Imprägnierung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein entsprechendes faserverstärktes Halbzeug, das Flächenbereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung und/oder Konsolidierung und Flächenbereiche mit relativ hoher Imprägnierung und/oder Konsolidierung aufweist.
Mit Vorteil weist das faserverstärkte Halbzeug in einer Richtung mindestens zwei Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, und mindestens zwei Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Darstellung der mittels Imprägnierung hergestellten Halbzeuge und
3 eine schematische Darstellung der mittels Konsolidierung hergestellten Halbzeuge.
In 1 ist eine Vorrichtung gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Imprägnierungsverfahren durchgeführt werden kann. Hier werden Verstärkungsfasern in Form einer Fasermatte 2 sowie eine Kunststofffolie 1 übereinandergelegt und über Transportrollenpaare 9 geführt. Zwischen zwei Transportrollenpaaren 9 ist das Ultraschallsystem 3 angeordnet, welches eine Sonotrode 7, die mittels eines Konverters 8 in Schwingung versetzt wird, und ein Gegenwerkzeug 6 umfasst. Sowohl Sonotrode 7 als auch Gegenwerkzeug 6 sind walzenförmig ausgeführt, sodass deren Siegelfläche, d.h. diejenige Fläche, die mit den zu bearbeitenden Materialien in Kontakt tritt, durch die Oberflächen der Walzen gebildet wird. Mit Hilfe der Sonotrode 7 wird daher eine Ultraschallschwingung auf die durch die Fasermatte 2 und die Kunststofffolie 1 gebildete Sandwichstruktur aufgebracht, was dazu führt, dass an der Grenzfläche zwischen der Fasermatte 2 und der Kunststofffolie 1 eine Aufschmelzung der Kunststofffolie erfolgt und die Fasermatte 2 durch den Kunststoff der Kunststofffolie 1 imprägniert wird.
Das imprägnierte Halbzeug wird dann über zwei weitere Transportrollenpaare 9 als fertiges Halbzeug auf die Rolle 4 aufgewickelt.
Die gezeigte Ausführungsform weist eine Reihe von Sensoren 18 auf, die an verschiedensten Stellen, wie zum Beispiel am Ultraschallsystem, aber auch an der Verstärkungsfaserrolle 2, der Kunststofffolie 1 und/oder den Transportrollen 9, Prozesswerte aufnehmen. Erfindungsgemäß ist es nämlich möglich, die über die Sonotrode 7 in die Sandwichstruktur eingebrachte Energie während der Bearbeitung zu variieren, sodass es Bereiche 5 gibt, die in der Figur mit gestrichelten Kreisen angedeutet sind, in denen nur eine unvollständige oder gar keine Imprägnierung erfolgt ist.
Zwar ist bei der Herstellung von Prepreghalbzeugen grundsätzlich eine unvollständige Imprägnierung unerwünscht, erfolgt diese jedoch erfindungsgemäß gezielt und lässt sich in den Prepregs der Bereich mit unvollständiger Imprägnierung lokalisieren, so können diese Bereiche, wie in 1 rechts zu erkennen ist, am Fertigprodukt, das aus einem mittels Umformung bearbeiteten Prepreg besteht, in den Bereichen angeordnet sein, in denen Prepregs gebogen werden müssen. Das Fertigteil 10 kann somit leichter hergestellt werden, da das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug an geeigneten Stellen eine bessere Verformung/Drapierung bei der sich anschließenden Formgebung erlaubt. Um diese spätere Lokalisierung der Bereiche mit abweichender Imprägnierrate zu ermöglichen, ist es daher in der in 1 gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass die durch die Sensoren 18 erfassten Werte 19 dem fertigen Halbzeug 4 zugeordnet werden und bei der späteren Weiterverarbeitung zum Bauteil 10 verwendet werden können.
Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, die Halbzeugbahnen 4 an den Stellen, an denen eine abweichende Imprägnierrate vorliegt, in geeigneter Art zu markieren, sodass auf die unter Umständen aufwendige Übermittlung der Sensordaten verzichtet werden kann.
Grundsätzlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Konsolidierung von Prepregs erfolgen. Die Verwirklichung des Konsolidierungsverfahrens erfolgt im Wesentlichen identisch zu dem in 1 beschriebenen Imprägnierungsverfahren, wobei jedoch hier nicht eine Fasermatte 2 und eine Kunststofffolie 1, sondern zwei Prepregbahnen zugeführt werden.
In 2 ist schematisch das hergestellte Produkt dargestellt. In 2 links oben erkennt man ein Prepreg 11 mit konstanter Imprägnierung, wie sie aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt sind. Das hier dargestellte Prepreg 11 unterscheidet sich von dem Prepreg des Standes der Technik lediglich dadurch, dass es mittels Ultraschall imprägniert worden ist. Im weiteren Verarbeitungsschritt wird das Prepreg 11 dann entsprechend in Abschnitte 11‘ und 11‘‘ zugeschnitten. Schematisch ist in 2 rechts oben gezeigt, wie aus dem Abschnitt 11‘‘ mittels Umformen ein entsprechend gekrümmtes Bauteil hergestellt wird. Allerdings neigt das Bauteil dazu, wieder in die ungekrümmte Stellung zurückzukehren, sodass ein entsprechendes Rückstellmoment M₁ von dem Bauteil ausgeübt wird, das berücksichtigt werden muss.
In 2 unten ist alternativ ein Prepreg 12 mit variabler Imprägnierung gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist. Der Prepreg 12 weist Bereiche 5 mit geringerer oder gar keiner Imprägnierung auf. Auch dieser Prepreg 12 wird in Abschnitte 12‘ und 12‘‘ zugeschnitten. Man erkennt in 2 rechts unten, dass der Abschnitt 12‘‘ derart ausgebildet ist, dass der Bereich 5 mit verringerter Imprägnierung exakt an der Krümmungsstelle des herzustellenden Bauteils liegt. Zwar übt auch dieses Bauteil ein Rückstellmoment M₂ aus, das bei der Konstruktion des Bauteils entsprechend berücksichtigt bzw. abgefangen werden muss, dies ist jedoch sehr viel kleiner als das Rückstellmoment M₁ bei Prepregs mit konstanter Imprägnierung.
In 3 ist eine schematische Darstellung der Weiterverarbeitung von Organoblechen gezeigt. In 3 oben wird ein Organoblech 13, d.h. ein aus mehreren Prepregs konsolidiertes Halbzeug, in Abschnitte 13‘ und 13‘‘ zugeschnitten. Der Abschnitt 13‘‘ wird weiterverarbeitet und in Bereichen, in denen das herzustellende Bauteil Krümmungen aufweist, kommt es im Material zu Verschiebungen und Verwerfungen 16.
Wird jedoch wie erfindungsgemäß beschrieben, eine variable Konsolidierung vorgesehen, sodass das Organoblech 14 Bereiche 15 mit geringerer Konsolidierung aufweist, kann auch dieses Organoblech 14 in entsprechende Abschnitte 14‘ und 14‘‘ zugeschnitten werden. Bei der Weiterbearbeitung wird der Zuschnitt des Abschnittes 14‘‘ jedoch so gewählt, dass der Bereich 15 mit geringerer Konsolidierung beim herzustellenden Bauteil 17 in dem Bereich der größten Krümmung zu liegen kommt. Hier kommt es, da die einzelnen Lagen nicht vollständig miteinander verbunden sind, zu einem Abgleiten der Einzellagen. Solch ein Abgleiten der Einzellagen ist zwar prinzipiell nicht gewünscht, kann jedoch in Bereichen, in denen das herzustellende Bauteil stark gekrümmt ist, von Vorteil sein.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Ausführungsform ist es somit, dass die Imprägnierung und/oder die Konsolidierung gezielt bereichsweise unvollständig ausgeführt wird. Ein solches Prepreg oder Organoblech würde in der Vergangenheit als mangelhaft zurückgewiesen. Dadurch, dass erfindungsgemäß die „mangelhaften“ Abschnitte jedoch gezielt eingesetzt werden, um Bereiche mit abweichender Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen, kann die Umformfähigkeit der derart hergestellten Halbzeuge deutlich verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kunststofffolie
2: Fasermatte
3: Ultraschallsystem
4: Halbzeugbahn
5: Bereich mit reduzierter Imprägnierung
6: Gegenwerkzeug
7: Sonotrode
8: Konverter
9: Transportrollen
10: Fertigteil
11: Prepreg
12: Prepreg
13: Organoblech
14: Organoblech
15: Bereich mit reduzierter Konsolidierung
16: Verwerfungen
17: Bauteil
18: Sensor
19: Sensordaten

Claims

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bei dem eine Fasermatte mit einem Kunststoff imprägniert wird oder mehrere imprägnierte Fasermatten konsolidiert werden, bei dem eine Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen einer Fasermatte und einer Kunststofffolie oder einer imprägnierten Fasermatte erzeugt wird und diese Sandwichstruktur erwärmt wird, so dass die Kunststofffolie oder die imprägnierte Fasermatte zumindest an der inneren Grenzfläche der Sandwichstruktur aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der Sandwichstruktur diese zwischen und in Kontakt mit einer Siegelfläche einer Sonotrode und einer Siegelfläche eines Gegenwerkzeug positioniert wird und die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenz und/oder Amplitude der mit Hilfe der Sonotrode auf die Sandwichstruktur aufgebrachten Ultraschallschwingung und/oder die Kraft, mit der die Sonotrode auf die Sandwichstruktur drückt, während der Erwärmung variiert wird, so dass das faserverstärkte Halbzeug Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung und Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichstruktur kontinuierlich zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges hindurchbewegt wird, wobei vorzugsweise die Siegelfläche der Sonotrode und/oder die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges rotationssymmetrisch ausgebildet ist bzw. sind, wobei die rotationssymmetrische Siegelfläche während der Erwärmung um ihre Rotationsachse gedreht wird, so dass die Umfangsgeschwindigkeit der rotationssymmetrischen Siegelfläche mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Sandwichstruktur übereinstimmt, wobei besonders bevorzugt sowohl eine walzenförmige Sonotrode als auch ein walzenförmiges Gegenwerkzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenz und/oder Amplitude der mit Hilfe der Sonotrode auf die Sandwichstruktur aufgebrachten Ultraschallschwingung und/oder die Kraft, mit der die Sonotrode auf die Sandwichstruktur drückt, während der Erwärmung mehrfach variiert wird, so dass das faserverstärkte Halbzeug in Bewegungsrichtung mindestens zwei Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, und mindestens zwei Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung, zwischen denen ein Bereich mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung angeordnet ist, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung von Prepregs verwendet wird, wobei die Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen einer Fasermatte und einer Kunststofffolie gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung von Organoblechen verwendet wird, wobei die Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen von mindestens zwei Prepregs gebildet wird, wobei vorzugsweise thermoplastische Prepregs verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anspruch 5 hergestellte Prepregs verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Kennzeichnungsmaßnahmen ergriffen werden, anhand derer am hergestellten Halbzeug die Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung oder Konsolidierung und die Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung oder Konsolidierung lokalisiert werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein Thermoplast, wie z.B. PP oder PA, verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Organoblechs mit Bereichen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften, bei dem zwei Prepreg mittels eines Verfahren gemäß Anspruch 5 soweit von Anspruch 2 abhängig hergestellt werden und diese zwei Prepregs bei der Herstellung des Organoblechs gemäß Anspruch 6 soweit von Anspruch 2 abhängig verwendet werden, wobei vorzugsweise die beiden Prepregs derart zur Bildung einer Sandwichstruktur aufeinandergelegt werden, dass Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung und Bereiche mit relativ hoher Imprägnierung übereinander liegen, wobei vorzugsweise bei der Erwärmung der aus den Prepregs bestehenden Sandwichstruktur Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Konsolidierung und Bereiche mit relativ hoher Konsolidierung derart angeordnet werden, dass die Bereiche mit relativ geringer oder gar keiner Konsolidierung mit den Bereichen mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung der Prepregs übereinstimmen.
Faserverstärktes Halbzeug, wie z.B. Prepreg oder Organoblech, mit Flächenbereichen mit relativ geringer oder gar keiner Imprägnierung und/oder Konsolidierung und Flächenbereichen mit relativ hoher Imprägnierung und/oder Konsolidierung.