DE102014212287B4 - Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem zumindest ein Faserhalbzeug (7) aus Natur- und Kunststofffasern (3, 9) in einem Heizschritt in einer Heizpresse (15) bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern (9) erhitzt wird und anschließend in einem nachgelagerten Pressform-Schritt in einer Formpresse (17) zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird, wobei im Pressform-Schritt eine Formgebung unter Verpressung des Faserhalbzeugs (7) sowie eine Abkühlung des Kunststoffbauteils (1) erfolgt und im Kunststoffbauteil (1) die Naturfasern (3) in eine von den Kunststofffasern (9) gebildete Kunststoffmatrix (5) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Heizschritts in das Faserhalbzeug (7) Thermoplast-Hohlkugeln (11) mit einem darin eingekapselten Treibgas integriert werden, die zur Bildung einer Schaumstruktur (4) unter Erhitzung expandieren, und dass beim Öffnungsvorgang der Heizpresse (15) sich das Faserhalbzeug (7) entspannt und aufschäumt, und im weiteren Arbeitsverlauf das erwärmte, in der Heizpresse (15) vorverdichtete Faserhalbzeug (7) in die Formpresse (17) eingelegt und das Kunststoffbauteil (1) bei gleichzeitiger Abkühlung ausgeformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Kunststoffbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 und ein Faserhalbzeug nach dem Patentanspruch 12.
  • Naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile werden in gängiger Praxis aus einem aus Natur- und Kunststofffasern bestehenden Faserhalbzeug hergestellt. Das Faserhalbzeug wird in einem Formpressverfahren unter gleichzeitiger Wärmeeinwirkung zu dem Kunststoffbauteil geformt und anschließend abgekühlt. Durch die Wärmeeinwirkung schmelzen die Kunststofffasern, zum Beispiel aus Polypropylen, unter Bildung einer Kunststoffmatrix auf, in der die Naturfasern zur Verstärkung eingebettet sind. Aus der DE 198 34 048 A1 ist ein solches gattungsgemäßes Kunststoffbauteil bekannt.
  • Zur Steigerung der Bauteilfestigkeit kann ein Faserhalbzeug eingesetzt werden, das ein entsprechend gesteigertes Flächengewicht aufweist. Alternativ dazu können die Kunststoffbauteile partiell mit Kunststoffspritzgussbauteilen verstärkt werden. Eine weiche Bauteiloberfläche wird dagegen durch ein fertigungstechnisch aufwändiges Aufkaschieren von Schaumstrukturen erreicht. Diese Schaumstrukturen werden meist im Verbund mit einer Dekorhaut auf einen Träger in einem separaten Arbeitsschritt aufgebracht.
    Die oben erwähnte Festigkeitserhöhung hat zwangsläufig eine Erhöhung des Bauteilgewichtes und damit gesteigerte Materialkosten zur Folge. Zusätzliche Strukturbauteile, die im Kunststoffspritzgussverfahren aufgebracht werden, erfordern dagegen Montage- und Materialaufwendungen. Das oben erwähnte Aufkaschieren von Schaumstrukturen ist ebenfalls nur in einem zusätzlichen Prozessschritt ermöglicht.
  • Aus der DE 10 2012 105 425 A1 ist ein Halbzeug bzw. ein Formteil aus flächenförmigen Fasergebilden und Bindemitteln sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein naturfaserverstärktes Kunststoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteiles bereitzustellen, bei dem die Bauteilsteifigkeit sowie eine Oberflächen-Weichheit in fertigungstechnisch einfacher Weise erreichbar ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 11 oder 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass das oben erwähnte Formpressverfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils der Ausbildung einer Schaumstruktur im Kunststoffbauteil entgegensteht. Ein zur Bildung einer solchen Schaumstruktur in das Faserhalbzeug eingeleitetes thermochemisches Treibmittel würde sich vielmehr ohne Aufschäumwirkung verflüchtigen. Vor diesem Hintergrund werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 in das aus Natur- und Kunststofffasern gebildete Faserhalbzeug zusätzlich Thermoplast-Hohlkugeln mit einem darin diffusionsdicht eingekapselten Treibgas integriert. Die Thermoplast-Hohlkugeln können zur Bildung einer Schaumstruktur unter Erhitzung expandieren, ohne dass sich das eingekapselte Treibgas verflüchtigen kann.
  • Bei dem Herstellungsverfahren wird das Faserhalbzeug in eine Heizpresse eingelegt und auf die Verarbeitungstemperatur bei gleichzeitigem Verdichten des Faserhalbzeuges hochgeheizt. Beim Öffnungsvorgang der Heizpresse entspannt sich das Faserhalbzeug und schäumt auf, das heißt die Thermoplast-Hohlkugeln expandieren. Im weiteren Arbeitsverlauf wird das erwärmte, in der Heizpresse vorverdichtete Faserhalbzeug in die Pressformpresse eingelegt und das Kunststoffbauteil bei gleichzeitiger Abkühlung ausgeformt. Der Pressvorgang ist so auszulegen, dass die durch die Thermoplast-Halbkugeln gebildete Schaumstruktur nicht beschädigt wird.
  • Das als Treibmittel wirkende Gas wird daher in der diffusionsstabilen Umhüllung der Thermoplast-Hohlkugeln komprimiert und in die Faserfreiräume des Faserhalbzeugs verteilt eingebracht. Die Temperaturführung beim Heizschritt und/oder beim Pressformschritt ist dabei so auszulegen, dass das Aufschmelzen der Kunststofffasern sowie der Thermoplast-Hohlkugeln unter Verpressen bei einem Temperaturniveau erfolgt, das die Gasdiffusionsdichtheit der Thermoplast-Hohlkugeln nicht beeinträchtigt. Nach dem Aufschmelzvorgang und der Formgebung kann das Pressformwerkzeug unter Abkühlung auf das gewünschte Endmaß bei gleichzeitiger Schaumbildung (Ausdehnung der gekapselten Gase im Inneren der Thermoplast-Hohlkugeln) öffnen.
  • Der Freiraum für die Schaumbildung, das heißt der Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln, wird durch die Hohlräume zwischen den Natur- und Kunststofffasern im Faserhalbzeug bereitgestellt. Im Falle vollständig durchgeschmolzener Kunststofffasern könnte gegebenenfalls der Expansionsfreiraum durch definierte geringe Formöffnung des Pressformwerkzeugs bereitgestellt werden.
  • Mit Hilfe der Thermoplast-Hohlkugeln (sogenannte Mikrosphären) ist ein fertigungstechnisch einfaches Aufschäumen von Pressformbauteilen ermöglicht. Die Thermoplast-Hohlkugeln können sich bei Hitzeeinwirkung um das Vielfache ihres Volumens ausdehnen. Beispielhaft können die Thermoplast-Kugeln vor dem Heizschritt mikroskopisch klein das heißt in Pulverform, sein, und zwar mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 20 µm. Nach dem Heizschritt können die expandierten Thermoplast-Hohlkugeln einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 50 µm aufweisen. Die Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln erfolgt während des Heizschrittes, bei dem das Faserhalbzeug bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern erhitzt wird. In diesem Fall können sowohl die Außenseiten der Thermoplast-Hohlkugeln als auch die Kunststofffasern des Faserhalbzeugs plastifizieren, das heißt thermoplastisch aufweichen, und sich stoffschlüssig miteinander verbinden. Die Thermoplast-Hohlkugeln beginnen bevorzugt bereits unterhalb der Schmelztemperatur mit der Expansion. Die Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes ist vorteilhaft, da die Thermoplast-Hohlkugeln eine geringere Temperaturbeständigkeit als das Faserhalbzeug aufweisen. Das Faserhalbzeug wird auf etwa 200 Grad aufgeheizt. Der Expansionsbeginn der Thermoplast-Hohlkugeln liegt zwischen 125 und 195 Grad. Allerdings ist der Expansionsbeginn abhängig von der Art der Thermoplast-Hohlkugeln. Sind die Temperaturen allerdings zu hoch, besteht die Gefahr, die Hülle der Thermoplast-Hohlkugeln zu schädigen. Anschließend wird das erhitzte Faserhalbzeug einem Pressformprozess zugeführt, in dem die endgültige Formgebung des Kunststoffbauteiles erfolgt.
  • Das in den Hohlkugeln eingekapselte Treibgas wirkt daher als ein Treibgas, das dauerhaft in den Hohlkugeln eingeschlossen bleibt. Bevorzugt ist das eingekapselte Treibgas Kohlenwasserstoff oder Alkane, wie Butan. In dem Pressform-Schritt erfolgt die Formgebung speziell unter Beaufschlagung einer Formpresskraft, das heißt unter Verpressung des Faserhalbzeuges.
  • Die Thermoplast-Hohlkugeln können beispielhaft homogen in das Faserhalbzeug eingebracht werden. Die Thermoplast-Hohlkugeln können über eine Dispersionslösung in das Faserhalbzeug eingebracht werden. Die Dispersionslösung ist eine wässerige Lösung in der die Thermoplast-Hohlkugeln und Stärke gelöst sind. Die Thermoplast-Hohlkugeln werden in Pulverform in die wässrige Lösung gegeben und in dieser gleichmäßig verteilt und aufgelöst. Alternativ kann auch eine bereits wässrige Lösung mit Thermoplast-Hohlkugeln genutzt werden. Das Faserhalbzeug wird durch die Dispersionslösung gezogen, anschließend wird die überschüssige Flüssigkeit aus dem Faserhalbzeug entfernt und anschließend getrocknet. Durch die Stärke in der Dispersionslösung halten die Thermoplast-Hohlkugeln nach dem Trocknen besonders gut an den Fasern des Faserhalbzeugs. Durch das Einbringen der Thermoplast-Hohlkugeln über eine Dispersionslösung wird eine gleichmäßige Verteilung der Thermoplast-Hohlkugeln im Faserhalbzeug erreicht. Das Einbringen kann aber auch durch Rüttelbeziehungsweise Dosiereinheiten erfolgen. Alternativ dazu können die Thermoplast-Hohlkugeln zur Anpassung mechanischer Eigenschaften des herzustellenden Kunststoffbauteils gezielt partiell in das Faserhalbzeug eingebracht werden.
  • Der Anteil an Thermoplast-Hohlkugeln beträgt zwischen 1 und 5%, bevorzugt 3% bezogen auf den Anteil an Kunststofffasern. Bei einem Faserhalbzeug mit einem Anteil von 50% Kunststofffasern liegt der resultierende Anteil der Thermoplast-Hohlkugeln bei 0,5 bis 2,5%, bevorzugt 1,5% bezogen auf das Gesamtgewicht des Faserhalbzeugs.
  • In einer Ausführungsvariante kann das Faserhalbzeug eine einteilige materialeinheitliche Fasermatte aus Natur- und Kunststofffasern sein. Die Fasermatte ist mit einem entsprechend großen Flächengewicht sowie einer vorgegebenen Materialstärke ausgelegt, um die angestrebten mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Kunststoffbauteiles zu realisieren. Das Kunststoffbauteil weist eine Dicke von etwa 2mm auf. Weiterhin ist es möglich, dass das Faserhalbzeug nicht aus einer einteiligen Fasermatte besteht, sondern einen Mehrschichtaufbau aufweist, und zwar zumindest mit einer mittleren Kernschicht sowie zwei äußeren Deckschichten. Die Kernschicht wirkt als ein Träger für die Thermoplast-Kugeln, während die beiden äußeren Deckschichten jeweils dünnwandige Fasermatten aus Natur- und Kunststofffasern sind. Die als Träger wirkende Kernschicht kann speziell ein Kunststofffaser-Vliesteil sein, auf das die Thermoplast-Hohlkugeln zum Beispiel mittels einer Dispersionslösung aufgebracht werden. Es ist ebenfalls möglich, die Thermoplast-Hohlkugeln über ein herkömmliches Druckverfahren auszubringen. Bei der Erhitzung des Mehrschichtaufbaus kann die aus Thermoplast-Hohlkugeln gebildete Schaumstruktur in die Faser-Freiräume der Deckschichten eindringen. Gegebenenfalls kann in einer der Deckschichten eine zusätzliche Aussparung vorgesehen sein, die beim Aufschäumen vollständig von der Schaumstruktur aufgefüllt wird und dadurch einen haptisch vorteilhaften sogenannten „Softtouch-Effekt“ des Kunststoffbauteiles erzeugt.
  • Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Thermoplast-Hohlkugeln wird speziell eine Gewichtsreduzierung sowie eine Erhöhung der Biegesteifigkeit des Kunststoffbauteils erzielt. Bei Aufbau einer Mehrschichtstruktur, bestehend aus den oben erwähnten Deck- und Kernschichten, ergibt sich die Möglichkeit, dass der in der Kernschicht enthaltene Mikrosphärenschaum (das heißt die aus den Thermoplast-Hohlkugeln gebildete Schaumstruktur) in Freiräume der Deckschichten eindringt.
  • Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Schnittdarstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils;
    • 2 in grob schematischer Darstellung Verfahrensschritte zur Herstellung des naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils;
    • 3 in Teilschnittansichten jeweils eine Thermoplast-Hohlkugel vor dem Heizschritt und eine Thermoplast-Hohlkugel nach dem Heizschritt;
    • 4 Verfahrensschritte zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils gemäß einer Ausführungsvariante;
    • 5 Verfahrensschritte zum Einbringen der Thermoplast-Hohlkugeln mittels einer Dispersionslösung.
  • In der 1 ist ein naturfaserverstärktes Kunststoffbauteil 1 gezeigt. Das Kunststoffbauteil 1 kann beispielhaft als ein Innenverkleidungsteil für ein Fahrzeug eingesetzt werden und ist als ein Pressformteil realisiert. Im Endzustand weist das Kunststoffbauteil 1 eine Kunststoffmatrix 5, etwa Polypropylen, auf, in der Naturfasern 3 zur Verstärkung eingebettet sind. Die Naturfasern 3 können beispielhaft Flachs-, Hanf-, Kenaf- oder sonstige Pflanzenfasern sein. Zudem ist in der Kunststoffmatrix 5 eine Schaumstruktur 4 integriert. Die Schaumstruktur 4 ist durch eine Vielzahl von Thermoplast-Hohlkugeln 11 aufgebaut, die mit der Kunststoffmatrix 5 verschmolzen sind.
  • In der 2 sind Verfahrensschritte zur Herstellung des naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils 1 gezeigt. Für die Herstellung des Kunststoffbauteils 1 wird gemäß der 2 zunächst ein Faserhalbzeug 7 bereitgestellt. Das Faserhalbzeug 7 weist die Naturfasern 3 sowie Kunststofffasern 9 auf, die im weiteren Verfahrenslauf zur bereits erwähnten Kunststoffmatrix 5 aufgeschmolzen werden. Die Natur- und Kunststofffasern 3, 9 sind in dem Faserhalbzeug 7 zum Beispiel mittels einer Nadelungstechnik miteinander verflochten oder verknotet, um ein handlingfähiges Faserhalbzeug 7 zu erhalten. In das so bereitgestellte Faserhalbzeug 7 werden in einem Dosierschritt die Thermoplast-Hohlkugeln 11 eingebracht. Die Thermoplast-Hohlkugeln 11 weisen gemäß der 2 eine diffusionsdichte Außenhülle 13 auf, in der ein Treibgas, etwa Kohlenwasserstoff, diffusionsdicht eingekapselt ist. Die Außenhülle 13 ist beispielhaft aus Polyacrynitril oder ebenfalls aus Polypropylen gefertigt.
  • Die Thermoplast-Hohlkugeln 11 sind mikroskopisch klein und liegen in Pulverform vor. Vor einer Wärmebeaufschlagung in der Heizpresse 15 können die Thermoplast-Hohlkugeln 11 gemäß der 3 einen Durchmesser d1 im Bereich von 10 bis 20 µm aufweisen. Bei Hitzeeinwirkung dehnen sich die Thermoplast-Hohlkugeln 11 um ein Vielfaches aus, bis zum Beispiel auf einen Durchmesser d2 im Bereich 30 bis 50 µm. Die Ausdehnung erfolgt unter gleichzeitiger Reduzierung der Wandstärke der Außenhülle.
  • Die Thermoplast-Hohlkugeln 11 können je nach Anwendungsfall entweder homogen oder lediglich partiell in das Faserhalbzeug 7 eingebracht werden. Anschließend wird das Faserhalbzeug 7 der Heizpresse 15 zugeführt, in der das Faserhalbzeug 7 mit Druck und Hitze beaufschlagt wird. Dadurch können sich die expandierenden Thermoplast-Hohlkugeln 11 in die Faser-Freiräume 14 (2) des Faserhalbzeugs 7 hinein verlagern. Zudem ist die Temperaturführung in der Heizpresse derart gestaltet, dass die äußere Randschicht der Thermoplast-Hohlkugeln 11 aufschmilzt und sich mit den jedenfalls aufschmelzenden Kunststofffasern 9 verbindet. Anschließend wird das noch erhitzte Faserhalbzeug 7 in eine Formpresse 17 geführt, in der eine Formgebung mit anschließender Abkühlung des Faserhalbzeuges 7 erfolgt.
  • In der 4 ist eine Verfahrensführung gemäß einer weiteren Ausführungsvariante angedeutet. Demzufolge ist das Faserhalbzeug 7 nicht als eine einteilige Fasermatte ausgeführt, sondern vielmehr dreiteilig mit zwei äußeren Deckschichten 19 sowie einer mittleren Kernschicht 21. Die mittlere Kernschicht 21 ist ein Faservliesteil, auf dem in einem Druckverfahren die pulverförmigen Thermoplast-Hohlkugeln 11 beidseitig aufgedruckt sind, möglich ist auch die Aufbringung durch ein Dispersionsverfahren. Die beiden Deckschichten 19 sind, wie auch das in der 2 gezeigte Faserhalbzeug 7, jeweils eine Fasermatte mit Natur- und Kunststofffasern 3, 9. Im Vergleich mit dem Faserhalbzeug 7 der 2 sind jedoch die beiden äußeren Deckschichten 19 wesentlich dünnwandiger gestaltet, und daher auch wesentlich durchlässiger für die im Heizschritt expandierenden Thermoplast-Hohlkugeln 11.
  • Die Kern- und Deckschichten 19, 21 werden zur Bildung eines Faserhalbzeugs zu einem Mehrschichtaufbau 23 (4) zusammengefügt und der Heizpresse 15 zugeführt. Dort werden unter Verpressung sowie Erhitzung die in den beiden Deckschichten 19 sowie in dem Kunststofffaservlies 21 enthaltenen Kunststofffasern 9 zu einer Kunststoffschmelze, die die Kunststoffmatrix 5 bildet, aufgeschmolzen. Die Kunststoffschmelze verschmilzt mit den ebenfalls plastifizierten äußeren Randbereichen der Außenhüllen 13 der Thermoplast-Hohlkugeln 11.
  • Das erhitzte sowie verpresste Faserhalbzeug wird im weiteren Verfahrenslauf der Formpresse 17 zugeführt, in der die Formgebung erfolgt. Anschließend wird nach Abkühlung das fertig gestellte Kunststoffbauteil 1 entnommen. Bei der Wärmebehandlung ist die Temperaturführung so gestaltet, dass sich die Thermoplast-Hohlkugeln 11 der mittleren Kernschicht 21 gleichmäßig in die noch vorhandenen Faser-Freiräume 14 der beiden äußeren Deckschichten 19 hinein expandieren können.
  • Das in der 4 hergestellte Kunststoffbauteil 1 weist somit äußere bauteilsteife Deckschichten 19 auf, die über eine im Vergleich dazu weiche Schaumstruktur 4 miteinander verbunden sind.
  • In 5 ist das Einbringen von Thermoplast-Hohlkugeln 11 in das Faserhalbzeug 7 über ein Dispersionsverfahren dargestellt. In einem vorgelagerten Schritt werden Kunststoff- und Naturfasern zu einem Faserhalbzeug 7 verarbeitet. Die Natur- und Kunststofffasern 3, 9 sind in dem Faserhalbzeug 7 zum Beispiel mittels einer Nadelungstechnik miteinander verflochten oder verknotet, um ein handlingfähiges Faserhalbzeug 7 zu erhalten. Das Faserhalbzeug 7 wird zwischen mehrere Rollen 12 eingespannt. So wird erreicht, dass das Faserhalbzeug 7 mit einer gleichmäßigen Spannung und Geschwindigkeit durch die Dispersionslösung 10 geführt wird. Das Faserhalbzeug wird durch ein Behältnis 20 mit Dispersionslösung 10 geführt. Die Dispersionslösung 10 ist eine wässrige Lösung, in der Thermoplast-Hohlkugeln und Stärke gelöst sind. Das Faserhalbzeug 7 wird von der Dispersionslösung 10 durchtränkt. Dabei setzen sich Thermoplast-Hohlkugeln 11 gleichmäßig im Faserhalbzeug 7 fest. Anschließend wird das Faserhalbzeug mit eingebrachten Thermoplast-Hohlkugeln 8 durch eine Walze 16 geführt. Hier wird überschüssige Dispersionslösung 10 aus dem Faserhalbzeug mit eingebrachten Thermoplast-Hohlkugeln 8 gequetscht. Hierbei wird hauptsächlich wässerige Lösung aus dem Faserhalbzeug entfernt, während die Hohlkugeln 11 im Faserhalbzeug verbleiben. Im nächsten Schritt erfolgt die Trocknung des Faserhalbzeugs mit eingebrachten Thermoplast-Hohlkugeln 8 in einer Trocknungsvorrichtung 18. Die in der Dispersionslösung befindliche Stärke trocknet bei diesem Vorgang, was bewirkt, dass die Thermoplast-Hohlkugeln 11 durch die getrocknete Stärke besonders gut im Faserhalbzeug 7 haften. Das Einbringen der Thermoplast-Hohlkugeln erfolgt bei Raumtemperatur. Die Thermoplast-Hohlkugeln 11 nutzen die Leerstellen im Faserhalbzeug 7 aus, um sich anzusiedeln. Durch diese Art der Einbringung von Thermoplast-Hohlkugeln 11 in das Faserhalbzeug wird eine gleichmäßige Verteilung der Hohlkugeln 11 erreicht. Weiterhin ist sichergestellt, dass die Hohlkugeln 11 gut im Faserhalbzeug haften und nicht, beispielsweise durch Transport o.ä., vor der Weiterverarbeitung aus dem Halbzeug fallen. Im weiteren Verarbeitungsprozess wird die Matte in der Heizpresse erhitzt. Die Thermoplast-Hohlkugeln expandieren und verbinden sich mit den enthaltenen und nun aufgeschmolzenen Kunststofffasern zu einer Matrix. Die heiße Matte wird in einem zweiten Arbeitsschritt in Form gepresst und abgekühlt. Die Thermoplast-Hohlkugeln 11 werden erst nach Fertigstellung des Faserhalbzeugs 7 in dieses eingebracht, so kann jedes Faserhalbzeug 7 mit Thermoplast-Hohlkugeln 11 versehen werden, unabhängig von der Zusammensetzung und dem Flächengewicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kunststoffbauteil
    3
    Naturfasern
    4
    Schaumstruktur
    5
    Kunststoffmatrix
    6
    Niederhalter
    7
    Faserhalbzeug
    8
    Faserhalbzeug mit eingebrachten Thermoplast-Hohlkugeln
    9
    Kunststofffasern
    10
    Dispersionslösung
    11
    Thermoplast-Hohlkugeln
    12
    Rollen
    13
    Randbereich der Außenhülle
    14
    Faser-Freiräume
    15
    Heizpresse
    16
    Walze
    17
    Formpresse
    18
    Trocknungsvorrichtung
    19
    Deckschicht
    20
    Behältnis
    21
    Kernschicht
    23
    Mehrschichtaufbau

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem zumindest ein Faserhalbzeug (7) aus Natur- und Kunststofffasern (3, 9) in einem Heizschritt in einer Heizpresse (15) bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern (9) erhitzt wird und anschließend in einem nachgelagerten Pressform-Schritt in einer Formpresse (17) zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird, wobei im Pressform-Schritt eine Formgebung unter Verpressung des Faserhalbzeugs (7) sowie eine Abkühlung des Kunststoffbauteils (1) erfolgt und im Kunststoffbauteil (1) die Naturfasern (3) in eine von den Kunststofffasern (9) gebildete Kunststoffmatrix (5) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Heizschritts in das Faserhalbzeug (7) Thermoplast-Hohlkugeln (11) mit einem darin eingekapselten Treibgas integriert werden, die zur Bildung einer Schaumstruktur (4) unter Erhitzung expandieren, und dass beim Öffnungsvorgang der Heizpresse (15) sich das Faserhalbzeug (7) entspannt und aufschäumt, und im weiteren Arbeitsverlauf das erwärmte, in der Heizpresse (15) vorverdichtete Faserhalbzeug (7) in die Formpresse (17) eingelegt und das Kunststoffbauteil (1) bei gleichzeitiger Abkühlung ausgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (13) der Thermoplast-Hohlkugeln (11) beim Heizschritt plastifiziert und mit dem Kunststoffmaterial der Kunststofffasern (9) verschmilzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Hohlkugeln (11) mikroskopisch klein, das heißt in Pulverform, bereitgestellt werden, und/oder die Thermoplast-Hohlkugeln (11) vor dem Heizschritt einen Durchmesser (d1) im Bereich von 10 bis 20 µm und nach dem Heizschritt einen Durchmesser (d2) im Bereich von 30 bis 50 µm aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Thermoplast-Hohlkugeln (11) im Faserhalbzeug (7) zwischen 0,5% und 5% bezogen auf das Gewicht des Faserhalbzeugs (7) liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Thermoplast-Hohlkugeln (11) diffusionsdicht eingekapselte Treibgas Kohlenwasserstoff ist, und/oder dass die Kunststofffasern (9) und die Außenhüllen (13) der Thermoplast-Hohlkugeln (11) materialähnlich sind, insbesondere aus Polyacrylnitril sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Hohlkugeln (11) unterhalb der Schmelztemperatur der Kunststofffasern (9) expandieren.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Hohlkugeln (11) homogen in das Faserhalbzeug (7) eingebracht werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Hohlkugeln (11) zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffbauteils (1) gezielt partiell in das Faserhalbzeug (7) eingebracht werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (7) ein Mehrschichtaufbau (23) ist, und zwar mit einer Kernschicht (21), auf der die Thermoplast-Hohlkugeln (11) aufgebracht sind, und mit zwei äußeren Deckschichten (19), die jeweils Fasermatten aus Natur- und Kunststofffasern (3, 9) sind.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Hohlkugeln (11) insbesondere mittels einer Dispersionslösung (10) in das Faserhalbzeug (7) eingebracht sind.
  11. Kunststoffbauteil (1) für ein Fahrzeug, hergestellt nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Kunststoffbauteil (1) Naturfasern (3) zur Verstärkung des Kunststoffbauteils (1) in einer Kunststoffmatrix (5) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kunststoffmatrix (5) zusätzlich Thermoplast-Hohlkugeln (11) mit einem darin eingekapselten Treibgas eingebettet sind.
  12. Faserhalbzeug (7) für die Herstellung eines Kunststoffbauteils (1) nach dem Anspruch 11.
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