DE102015000947A1

DE102015000947A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils mit einer Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und Vorformling eines solchen Polymer-Formteils

Info

Publication number: DE102015000947A1
Application number: DE102015000947.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Graupner; Jakob Wölling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen oder -bündel aufeinander aufgebracht und mittels eines ersten, plastifizierbaren Binders aneinander fixiert werden, indem die Verstärkungsfaserlagen oder -bündel unter Zwischenanordnung des ersten Binders aufeinander aufgebracht werden und der erste Binder unter Andruck der Verstärkungsfaserlagen oder -bündel aneinander plastifiziert wird. Nach dem Fixieren der Verstärkungsfaserlagen oder -bündel aneinander mittels des ersten Binders wird der derart erhaltene, aus der mehrlagigen bzw. mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur gebildete Vorformling mit einem plastifizierten Matrixpolymer imprägniert und das Matrixpolymer anschließend erstarrt; oder der Vorformling wird mit einem zu einem Matrixpolymer aushärtbaren Harz imprägniert und das Harz anschließend zu dem Matrixpolymer ausgehärtet. Um für eine verbesserte Permeabilität des Vorformlings anlässlich der Imprägnierung zu sorgen, sieht die Erfindung vor, dass einerseits in die Verstärkungsfaserlagen oder -bündel ein zweiter Binder mit gegenüber dem ersten Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften lokal eingebracht wird, andererseits die benachbarten Verstärkungsfaserlagen oder -bündel unter Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch eines derartigen zweiten Binders aufeinander aufgebracht werden, wobei nur der erste Binder unter Andruck der Verstärkungsfaserlagen oder -bündel aneinander plastifiziert wird, um letztere aneinander zu fixieren. Die Erfindung betrifft ferner einen Vorformling mit einem solchen Bindersystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils, wobei eine Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und/oder Verstärkungsfaserbündel aufeinander aufgebracht und mittels eines ersten, plastifizierbaren Binders aneinander fixiert werden, indem die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel unter Zwischenanordnung des ersten Binders aufeinander aufgebracht werden und der erste Binder unter Andruck der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander plastifiziert wird, und wobei nach dem Fixieren der Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander mittels des ersten Binders der derart erhaltene, aus der mehrlagigen und/oder mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur gebildete Vorformling

– mit wenigstens einem plastifizierten Matrixpolymer imprägniert und das Matrixpolymer anschließend erstarrt wird; oder
– mit wenigstens einem zu einem Matrixpolymer aushärtbaren Harz imprägniert und das Harz anschließend zu dem Matrixpolymer ausgehärtet wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Vorformling zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils, mit einer aus einer Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und/oder Verstärkungsfaserbündel gebildeten Verstärkungsfaserstruktur, deren Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel mittels eines zwischen denselben angeordneten ersten, plastifizierbaren Binders infolge Schmelzverbindung aneinander fixiert sind.
Faserverstärkte Polymer-Formteile, welche eine Mehrzahl an aufeinander aufgebrachte Verstärkungsfaserlagen und/oder Verstärkungsfaserbündel aufweisen, finden in Formteilen verschiedenster Art vielfältige Verwendung, wobei ihnen insbesondere ihr verhältnismäßig geringes Gewicht sowie die Möglichkeit zugute kommt, durch entsprechende Orientierung der Verstärkungsfasern dem Formteil eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit in Richtung der einwirkenden Lasten zu verleihen. So werden derartige faserverstärkte Polymer-Formteile beispielsweise in Form von Strukturbauteilen für die Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffsbauindustrie oder auch in Bauteilen für die Bauindustrie oder als Komponenten zur Energieerzeugung, wie beispielsweise Flügel für Windkraftanlagen, eingesetzt. Die Verstärkungsfasern werden hierbei üblicherweise in flächigen Gebilden nach Art mehrerer Lagen und/oder in Strangform nach Art mehrerer Bündel orientiert, je nach dem, in welche Raumrichtung das Formteil einwirkenden Lasten standzuhalten hat.
Zur Herstellung von derartigen faserverstärkten Polymer-Formteilen, deren Fasern insbesondere von Kohle- bzw. Carbonfasern (carbonfaserverstärkte Kunststoffe, CFK) oder Glasfasern (glasfaserverstärkte Kunststoffe, GFK), aber grundsätzlich auch von mineralischen oder natürlichen Fasern gebildet sein und in geeigneten Strukturen, wie z. B. in Form von Bündeln, Geflechten, Geweben, Gestricken, Gelegen, Vliesen oder dergleichen vorliegen können, sind verschiedene Verfahren bekannt. So kann die Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen beispielsweise dadurch geschehen, dass die Verstärkungsfaser(strukture)n in geeigneten Formwerkzeugen mit einem thermoplastischen oder thermoelastischen Matrixpolymer im plastifizierten bzw. schmelzflüssigen Zustand imprägniert werden, wonach die imprägnierte Faserverbundstruktur konsolidiert wird, indem sie unter Einwirkung von Druck und Temperatur verpresst wird. Sodann wird das Matrixpolymer unter Bildung der fertigen Polymermatrix unter Abkühlen desselben erstarrt. Stattdessen können die Verstärkungsfaser(strukture)n mit einem zu einem – insbesondere duroplastischen aber auch thermoplastischen – Matrixpolymer aushärtenden Harz imprägniert werden, wonach das Imprägnierharz unter Bildung der fertigen Polymermatrix ausgehärtet wird. Die Imprägnierung dient in beiden Fällen vornehmlich zu einer möglichst vollständigen Benetzung der Verstärkungsfasern mit dem schmelzflüssigen Polymer bzw. mit dem flüssigen Harz, wobei die Verstärkungsfasern möglichst gänzlich imprägniert werden sollten, um die Bildung von Hohlräumen, welche zu einer lokal verminderten Festigkeit und Steifigkeit führen, zu verhindern. Zu diesem Zweck erfolgt die Imprägnierung häufig unter mechanischem Druck, wie z. B. mittels Pressen, und/oder Anlegen eines Unterdrucks bzw. Vakuums an den Formraum des Formwerkzeugs, in welchem die Imprägnierung durchgeführt wird.
Um die Verstärkungsfasern in Richtung der auf das jeweilige Bauteil, für welches das zu erzeugende Polymer-Formteil eingesetzt werden soll, einwirkenden Lasten zu orientieren und dem Bauteil dadurch ein besonders hohes Lastaufnahmevermögen in Richtung der auf dieses wirkenden Lasten zu verleihen, werden die Verstärkungsfasern – wie oben angedeutet – häufig zu geeigneten Verstärkungsfaserstrukturen geformt, um sie anschließend mit dem jeweiligen Polymer bzw. mit dem jeweiligen Harz zu imprägnieren. Hierbei ist es beispielsweise bekannt, die Verstärkungsfasern endlos von einer Spule abzuwickeln, mit einem plastifizierten thermoplastischen Polymer oder auch einem flüssigen, zu einem Polymer aushärtbaren Harz vorzuimprägnieren und die vorimprägnierten Fasern sodann zu der geeigneten Faserstruktur zu formen, indem sie z. B. um Wickeldorne einer entsprechenden Hilfsform gewickelt werden, manuell ausgerichtet oder auch mittels Industrierobotern in der gewünschten Orientierung abgelegt werden. Derartige automatisierte Verfahren zur orientierten Ablage endloser Verstärkungsfasern sind beispielsweise in Form des sogenannten ”Automated Fibre Placements” (AFP) bzw. des sogenannten ”Automated Tape Layings” (ATL) bekannt. Der aus einer solchen vorimprägnierten Faserstruktur gebildete Vorformling wird sodann von der Hilfsform in ein Formwerkzeug überführt, um ihm dort seine endgültige Formgebung zu verleihen.
Insbesondere – wenn auch nicht ausschließlich – zur Herstellung von relativ großformatigen und/oder flächigen Polymer-Formteilen werden anstelle der vorstehend erwähnten, vorimprägnierten Halbzeuge auch trockene Halbzeuge eingesetzt, welche aus mehreren trockenen, d. h. nicht vorimprägnierten Verstärkungsfaserlagen, -bündeln oder ähnlichen Strukturen gebildet sind, wobei die einzelnen Verstärkungsfaserlagen bzw. -bündel mittels eines geeigneten Binders aneinander fixiert sind. Die einzelnen Verstärkungsfaserlagen bzw. -bündel sind dabei beispielsweise aus gespreizten Faserrovings (”Spread Tow”), aus auf die gewünschte Breite zugeschnittenen Fasertapes (”Slit Tow”) oder dergleichen gebildet. Die derart erzeugten, mehrere Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aufweisenden Vorformlinge werden sodann gleichfalls in ein geeignetes Formwerkzeug überführt und anschließend mit dem Matrixpolymer in schmelzflüssiger Phase oder mit einem Harz imprägniert, welcher zu dem Matrixpolymer ausgehärtet wird.
Als zur Fixierung der einzelnen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel dienende Binder kommen vornehmlich thermoplastische Polymere zum Einsatz, welche im plastifizierten Zustand als ”Kleber” dienen. Hierzu wird zunächst eine erste Verstärkungsfaserlage bzw. ein erstes Verstärkungsfaserbündel – sei es manuell oder sei es in automatisierter Form, wie z. B. mittels AFP oder ATL (siehe oben) – abgelegt und wird der Binder auf die Oberfläche dieser Verstärkungsfaserlage bzw. dieses -bündels aufgebracht, was in herkömmlicher Weise entweder durch Aufbringen eines Vlieses aus dem Binder oder durch Aufbringen des Binders in Pulver- oder Partikelform, insbesondere durch Aufsprühen oder Aufrieseln der Binderpartikel auf die Verstärkungsfaserlage bzw. auf das -bündel, gegebenenfalls unterstützt durch elektrostatische Aufladung, geschieht. Sodann wird der Binder plastifiziert bzw. aufgeschmolzen und wird auf den plastifizierten Binder die nächste Verstärkungsfaserlage bzw. das nächste Verstärkungsfaserbündel aufgebracht und mittels des Binders mit der ersten Verstärkungsfaserlage bzw. mit dem ersten -bündel unter Andruck an diese ”verklebt”, wobei infolge Abkühlens und Erstarrens des Binders ein Formschluss der aufeinander aufgebrachten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel entsteht und diese dadurch aneinander fixiert werden. Weitere Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel können in entsprechender Weise aufgebracht werden, so dass ein mehrschichtiger bzw. mehrsträngiger, aus mehreren Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln mit dazwischen angeordneten Binderlagen aufgebauter Vorformling erzeugt wird. Dieser Vorformling kann sodann entweder mit einem plastifizierten Matrixpolymer imprägniert und das Matrixpolymer anschließend erstarrt werden (sofern das fertige Polymer-Formteil eine thermoplastische oder thermoelastische Polymermatrix besitzen soll), oder der Vorformling wird mit einem zu einem – duroplastischen, elastischen oder gleichfalls thermoplastischen – Matrixpolymer aushärtbaren Harz imprägniert und das Harz anschließend zu dem Matrixpolymer ausgehärtet. Bei der Imprägnierung kann es günstig sein, wenn der Binder wieder in die schmelzflüssige Phase überführt wird, um mit dem zur Imprägnierung verwendeten Matrixpolymer bzw. dem Harz vermischt zu werden, so dass keine diskreten Phasengrenzen gebildet werden, welche wiederum zu einer Verminderung der Festigkeit und Streifigkeit des fertigen Polymer-Formteils führen könnten. Zu diesem Zweck sollte ein mit dem Matrixpolymer bzw. mit dem Harz verträglicher und im flüssigen Zustand gut mischbarer Binder eingesetzt werden.
In der DE 201 20 447 U1 geht es um einen Vorformling, dessen thermoplastischer Binder zur Fixierung der Verstärkungsfaserstrukturen entsprechend dem Matrixpolymer, mit welchem der Vorformling unter Bildung eines Polymer-Formteils imprägniert bzw. infiltriert wird, ausgewählt wird, um ein sortenreines Formteil zu erhalten. Dem Binder können dabei verschiedene Additive, wie insbesondere solche zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Binders, zugesetzt sein, z. B. Modifizierungsmittel, feuerhemmende Mittel, Füllstoffe oder Mittel zur Verbesserung der Zähigkeit.
Die US 2009/0209159 A1 beschreibt eine Binderzusammensetzung zum Einsatz in Vorformlingen, welche anschließend unter Bildung eines Formteils mit einem Matrixharz imprägniert bzw. infiltriert werden. Die Binderzusammensetzung, welche eine Mehrzahl an Faserstrukturen des Vorformlings aneinander fixiert, enthält einerseits einen thermoplastischen Harzanteil, andererseits einen aushärtbaren Harzanteil, wobei der Schmelzpunkt des aushärtbaren Harzanteils höher ist als die Temperatur, bei welcher der Vorformling mit dem duroplastischen Matrixharz infiltriert wird, aber geringer ist als die Aushärtungstemperatur des duroplastischen Matrixharzes, so dass dieser Harzanteil bei der Aushärtung des Matrixharzes aktiviert werden kann. Der thermoplastische Harzanteil besitzt eine Glasübergangstemperatur, welche mindestens dem Schmelzpunkt des aushärtbaren Harzanteils entspricht oder demgegenüber (noch) höher ist. Dem fertigen Formteil sollen mittels einer solchen Binderzusammensetzung verbesserte Werkstoffeigenschaften, wie insbesondere eine höhere Zähigkeit, verliehen werden.
Als problematisch erweist sich häufig die Imprägnierung bzw. Infiltrierung der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel des Vorformlings, welche aus den oben genannten Gründen möglichst vollständig erfolgen sollte, ohne dass Oberflächenbereiche der in den Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln vorhandenen Verstärkungsfasern unbenetzt bleiben. Dies gilt sowohl im Falle einer Imprägnierung der mittels des Binders vorfixierten, mehrlagigen oder mehrbündeligen bzw. mehrsträngigen Verstärkungsfaserstruktur mit plastifizierten, schmelzflüssigen Polymeren als auch im Falle einer Imprägnierung mit demgegenüber in aller Regel noch geringer viskosen Harzen, wie Mono-, Di- oder Oligomeren, welche zu dem gewünschten Matrixpolymer ausgehärtet werden können. Der Grund hierfür besteht vornehmlich in der begrenzten Durchlässigkeit der einzelnen, mittels des Binders aneinander fixierten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel des Vorformlings, wobei die Permeabilität maßgeblich von der Packungsdichte der Verstärkungsfasern abhängt und mit steigender Packungsdichte abnimmt. Hieraus resultiert eine schlechte und/oder (zu) langsame Imprägnierung, welche zu trockenen Bereichen, sogenannten ”Dry-Spots”, sowohl im Innern als auch zwischen den Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln des Vorformlings führen können und die mechanischen Werkstoffeigenschaften des fertigen Polymer-Formteils maßgeblich beeinträchtigen. Andererseits ist eine möglichst hohe Packungsdichte an Verstärkungsfasern insbesondere im Hinblick auf eine hohe (Zug)festigkeit des Formteils häufig gerade erwünscht.
Im Stand der Technik versucht man diesem Problem vornehmlich dadurch zu begegnen, indem der Binderanteil möglichst gering gewählt und/oder der Binder nur punktuell zwischen die Verstärkungsfaserstrukturen des Vorformlings eingebracht wird. So beschreibt die EP 0 554 236 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings mit einer als ”zweistufig” bezeichneten Binderzusammensetzung, deren ersten und zweiten Bindemittelbestandteile mit verschiedenen Initiatoren versetzt sind, um für eine Vernetzung und Aushärtung der Bindemittelzusammensetzung zu sorgen. Die Bindemittelzusammensetzung soll dabei in ausreichender Menge auf die Verstärkungsfaserstrukturen aufgebracht werden, dass letztere zwar benetzt werden, die Faserzwischenräume aber freibleiben. Sodann wird die Bindemittelzusammensetzung mittels elektromagnetischer Strahlung teilweise polymerisiert, um ihr eine zur Fixierung der Faserstrukturen anlässlich deren späteren Imprägnierung mit einem Matrixpolymer hinreichende Viskosität zu verleihen, wonach die Struktur verpresst und einer andersartigen elektromagnetischen Strahlung exponiert wird, um den Initiator des zweiten Bindemittelbestandteils zu aktivieren und das Bindemittel starr auszuhärten. Anschließend wird der derart gebildete Vorformling mit dem gewünschten Matrixpolymer imprägniert.
Der DE 10 2009 044 833 A1 ist ein weiteres textiles Halbzeug nach Art eines Vorformlings aus mehreren Verstärkungsfaserschichten sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entnehmen, wobei die Faserschichten mittels eines thermoplastischen Binders nur punktuell bzw. lokal aneinander fixiert werden. Hierdurch soll Bindemittel eingespart und die Handhabbarkeit des Vorformlings verbessert werden. Die DE 10 2011 012 654 A1 beschreibt einen ähnlichen Vorformling – hier in Form einer Blattfeder – sowie ein entsprechendes Verfahren zu seiner Herstellung, wobei wiederum ein nur lokales Aufschmelzen eines Binders vorgesehen ist, um für eine nur punktuelle Verbindung der einzelnen Verstärkungsfaserlagen zu sorgen.
Durch einen möglichst geringen Anteil an einem Binder bzw. an einer Binderzusammensetzung und/oder einer nur punktuellen Anwendung eines solchen Binders kann zwar in einigen Fällen eine verbesserte Tränkung der Verstärkungsfasern erzielt werden (vor allem dann, wenn die Verstärkungsfaserstruktur nur moderat verpresst worden ist), doch besteht die Gefahr einer Bildung von ”Dry-Spots” gleichwohl fort und wird insbesondere die Formstabilität des Vorformlings erheblich verringert, so dass eine prozesssichere Ablage bzw. Überführung desselben nicht möglich ist, was insbesondere im Falle einer automatisierten Handhabung des Vorformlings, wie beispielsweise mittels Robotern, gilt.
Aus der DE 101 32 342 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffstrukturen unter Einsatz von Vorformlingen bekannt, wobei die schichtförmigen Verstärkungsfaserstrukturen des Vorformlings mit einem Textilbinder beschichtet und unter Anwendung von Wärme und Druck vorfixiert werden, wonach sie in ein Formwerkzeug überführt und mit einem geeigneten Matrixpolymer imprägniert werden. Um dem Problem einer unvollständigen Imprägnierung mit dem Matrixpolymer zu begegnen, soll entweder dem Textilbinder ein Zähmodifizierer chemisch zugesetzt werden, während das als Matrixpolymer eingesetzte Flüssigharz nicht mit einem solchen Zähmodifizierer versetzt wird, oder es soll nur das als Matrixpolymer eingesetzte Flüssigharz mit einem solchen Zähmodifizierer versetzt werden, während der Textilbinder in reiner Form eingesetzt wird. Hierdurch soll die Viskosität des flüssigen Imprägnierharzes herabgesetzt und/oder eine chemische oder physikalische Auflösung des Textilbinders beim Kontakt mit dem flüssigen Imprägnierharz erreicht werden. Ein möglichst vollständiges Eindringen des flüssigen Imprägnierharzes in das Hohlraumvolumen der Verstärkungsfasern des Vorformlings kann indes auch hierdurch nicht garantiert werden, insbesondere dann nicht, wenn die Verstärkungsfasern sehr dicht an dicht angeordnet und/oder miteinander verpresst sind, wie es bei Verstärkungsfaserlagen oder -bündeln häufig der Fall ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils sowie einen aus einer Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln gebildeten Vorformling der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise sowie unter zumindest weitgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile dahingehend weiterzubilden, dass eine einwandfreie und vollflächige Imprägnierung des aus der mehrlagigen und/oder mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur gebildeten Vorformlings gewährleistet wird.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

(a) in zumindest eine der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel ein zweiter Binder mit gegenüber dem ersten Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften lokal eingebracht wird; und/oder
(b) zumindest zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel unter Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch eines zweiten Binders mit gegenüber dem ersten Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften aufeinander aufgebracht werden,

In erzeugnistechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Vorformling der eingangs genannten Art, insbesondere in Form eines sogenannten ”Bindergarns”, ferner vor, dass

(a) in zumindest eine der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel ein zweiter Binder mit gegenüber dem ersten, zur Schmelzverbindung der Verstärkungsfaserlagen dienenden Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften lokal eingebracht ist; und/oder
(b) zumindest zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel unter Zwischenanordnung sowohl des ersten, zur Schmelzverbindung der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel dienenden Binders als auch eines zweiten Binders mit gegenüber dem ersten Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften aufeinander aufgebracht sind,

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung beruht auf dem Prinzip, mittels des zweiten Binders, welcher während des Fixierens zweier benachbarter Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinender mittels des zweiten Binders unter Plastifizieren desselben nicht plastifiziert wird und somit im festen Zustand verharrt, für eine Art ”Abstandhalter” zu sorgen, welcher während des anschließenden Imprägnierens des aus der mehrlagigen und/oder mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur gebildeten Vorformlings für das plastifizierten Matrixpolymer oder für das flüssige Harz Fließkanäle offenhält, so dass auch dann eine gänzliche Imprägnierung ohne Bildung von ”Dry-Spots” gewährleistet werden kann, wenn die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel dabei miteinander verpresst werden, wie es zur Erzielung einer hohen Festigkeit und Steifigkeit des fertigen Polymer-Formteils in der Regel erwünscht ist. Der anlässlich der Vorfertigung des aus den mehreren Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gebildeten Vorformlings im festen Zustand verbleibende zweite Binder sorgt auf diese Weise für die lokale Aufrechterhaltung von Abständen der miteinander verpressten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel, welche eine verbesserte Tränkung des auch als ”Preform” bezeichneten Vorformlings sicherstellen. Der erfindungsgemäße zweite Binder, welche – wie weiter unten noch näher erläutert – insbesondere in separater Form eingesetzt und nicht mit dem ersten Binder vermischt wird bzw. ist, vermag dem Problem einer unzureichenden Imprägnierung bzw. Infiltrierung des Vorformlings mit einem plastifizierten Matrixpolymer oder einem flüssigen Matrixharz dabei nicht erst bei der Imprägnierung mit dem Matrixharz, sondern bereits während der Erzeugung des Vorformlings selbst zu begegnen, indem er in der oben geschilderten Weise Fließkanäle in den Verstärkungsfaserstrukturen bzw. in den Faserzwischenräumen freihält.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass sowohl der erste Binder als auch der zweite Binder – sofern letzterer gleichfalls plastifizierbar ist – nach dem Imprägnieren der aus der Mehrzahl an mittels des ersten Binders aneinander fixierten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel erhaltenen, mehrlagigen bzw. mehrsträngigen Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings plastifiziert werden, wobei die plastifizierten ersten und zweiten Binder insbesondere in das hiermit verträgliche Matrixpolymer oder in das zu diesem aushärtbare Harz eingemischt werden. Folglich wird nicht nur der erste Binder, sondern auch der erfindungsgemäße zweite Binder vorzugsweise nach dem Imprägniervorgang plastifiziert und insbesondere in das Matrixpolymer bzw. in das Harz eingemischt, so dass etwaige Phasengrenzen der Polymermatrix des fertigen Polymer-Formteils, welche dessen Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen können, vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass als erster Binder wenigstens ein erstes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer und als zweiter Binder wenigstens ein zweites, insbesondere gleichfalls thermoplastisches und/oder thermoelastisches, Polymer mit einem gegenüber dem ersten Polymer des ersten Binders höheren Schmelzpunkt eingesetzt wird, wobei zum Plastifizieren des ersten Binders anlässlich des Fixierens der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander eine Temperatur eingestellt wird, welche wenigstens der Schmelztemperatur des ersten Binders entspricht und kleiner als die Schmelztemperatur des zweiten Binders ist. Dabei sollten aus den oben genannten Gründen sowohl das Polymer des ersten als auch das Polymer des zweiten Binders mit dem zur Imprägnierung verwendeten Matrixpolymer bzw. mit dem hierfür eingesetzten Harz verträglich sein, womit eine gute Kompatibilität und insbesondere eine Mischbarkeit innerhalb der erforderlichen Grenzen angesprochen ist. Es sei in diesem Zusammenhang allerdings darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße zweite Binder nicht notwendigerweise plastifizierbar sein muss, sofern er eine gute Anbindung an das Matrixpolymer gewährleistet, so dass die Werkstoffeigenschaften des fertigen Polymer-Formteils durch den zweiten Binder nicht nennenswert beeinträchtigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass als erster Binder wenigstens ein erstes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer und als zweiter Binder wenigstens ein zweites, insbesondere gleichfalls thermoplastisches und/oder thermoelastisches, Polymer mit gegenüber dem ersten Polymer des ersten Binders unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung eingesetzt wird, wobei zum Plastifizieren des ersten Binders anlässlich des Fixierens der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander diese mit elektromagnetischer Strahlung mit einem ersten Frequenzbereich und/oder einer ersten Leistung bestrahlt werden, welche im Absorptionsbereich nur des ersten Binders liegt und/oder welche nur den ersten Binder zu plastifizieren vermag. Auch auf diese Weise ist es folglich möglich, anlässlich des Fixierens der Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel zur Bildung der mehrlagigen bzw. mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings nur den ersten Binder selektiv zu plastifizieren, um die einzelnen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel miteinander zu verbinden, während der zweite – wie oben erwähnt, nicht notwendigerweise plastifizierbare – Binder im festen Zustand belassen wird, damit er die ihm zugedachte Funktion eines ”Abstandhalters” zu erfüllen vermag.
Um den ersten und zweiten – in diesem Fall notwendigerweise plastifizierbaren – Binder nach vollständiger Imprägnierung des Vorformlings zu plastifizieren, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zum Plastifizieren des zweiten Binders nach dem Imprägnieren der Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings

– eine Temperatur eingestellt wird, welche wenigstens der Schmelztemperatur sowohl des ersten Binders als auch des zweiten Binders entspricht; und/oder
– die Verstärkungsfaserstruktur mit elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, bestrahlt wird, deren Frequenz sowohl im Absorptionsbereich des ersten Binders als auch des zweiten Binders liegt und/oder welche eine hinreichende Leistung aufweist, um sowohl den ersten Binder als auch den zweiten Binder zu plastifizieren.

Dabei muss der imprägnierte Vorformling nicht notwendigerweise aktiv – sei es konvektiv oder sei es mittels Strahlung – erwärmt werden, sondern kann selbstverständlich auch die Wärmeenergie eines plastifizierten Matrixpolymers oder die exotherme Reaktionsenergie eines aushärtenden Harzes genutzt werden, um nicht nur den ersten, sondern auch den zweiten Binder in die schmelzflüssige Phase zu überführen.
Wie bereits angedeutet, wird der zweite Binder insbesondere separat von dem ersten Binder – d. h. nicht in Form einer physikalischen oder chemischen Mischung mit demselben – in und/oder zwischen die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel des Vorformlings eingebracht, damit er die ihm zugedachte Funktion eines ”Abstandhalters” zur Freilassung von Fließkanälen zu erfüllen vermag. In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass zumindest der zweite Binder in Form von

– separaten Partikeln, Fasern und/oder Vliesen aus dem zweiten Binder; und/oder
– Komposit-Partikeln sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Binder, wobei ein Kern der Komposit-Partikel aus dem zweiten Binder gebildet ist,

Ein erfindungsgemäßer Vorformling zeichnet sich folglich insbesondere dadurch aus, dass der zweite Binder in Form von Partikeln, Fasern und/oder Vliesen aus dem zweiten Binder, insbesondere mit einer gegenüber dem Querschnitt der Verstärkungsfasern der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel verschiedenen Querschnittsform und/oder -größe, vorliegt, wobei ein Querschnitt der Partikel, Fasern und/oder Vliese des zweiten Binders besonders bevorzugt größer ist als der Querschnitt der jeweiligen Verstärkungsfasern des Vorformlings. Bei den in dem Vorformling enthaltenen Partikeln des zweiten Binders kann es sich selbstverständlich einerseits um die zugesetzten separaten Partikel aus dem zweiten Binder, andererseits um den Kern von Komposit-Partikeln handeln, in welchen der zweite Binder ursprünglich in separater Phase – d. h. nicht mit dem ersten Binder vermischt, sondern von diesem getrennt – vorlag, wie insbesondere in Form eines Kerns mit einer Schale aus dem ersten Binder, und von welchen die Phase des ersten Binders zur Gewährleistung der Schmelzverbindung zwischen den Verstärkungsfasern abgeschmolzen worden ist, während die zurückgebliebene Phase des nicht geschmolzenen zweiten Binders als ”Abstandhalter” zwischen den Verstärkungsfasern dient und auf diese Weise Imprägnier- bzw. Infiltrationskanäle freihält.
Wie gleichfalls oben angedeutet, kann der erfindungsgemäß als ”Abstandhalter” zur Aufrechterhaltung von Fließkanälen während des Imprägnierens eingesetzte zweite Binder innerhalb der einzelnen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel (Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens) und/oder zwischen denselben (Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens) angeordnet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass zum lokalen Einbringen des zweiten Binders in zumindest eine(s) der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (a) die Verstärkungsfaserlage und/oder das Verstärkungsfaserbündel dadurch erzeugt wird, indem zwischen die Verstärkungsfasern dieser Verstärkungsfaserlage und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels lokal Partikel und/oder Fasern des zweiten Binders eingebracht werden, wobei die Partikel und/oder Fasern des zweiten Binders insbesondere mit einer gegenüber dem Querschnitt der Verstärkungsfasern dieser Verstärkungsfaserlage und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels verschiedenen Querschnittsform und/oder -größe eingesetzt werden. Der zweite Binder kann folglich insbesondere in Partikel- oder Faserform, z. B. durch Verpressen, in die jeweilige Verstärkungsfaserlage bzw. in das jeweilige Verstärkungsfaserbündel eingebracht werden, wobei sein von dem Verstärkungsfaserquerschnitt abweichender Querschnitt lokale Verwerfungen bzw. ”Fehlstellen” der Verstärkungsfasern in dieser Verstärkungsfaserlage bzw. in diesem Verstärkungsfaserbündel verursacht, welche eine verbesserte Imprägnierung bzw. Tränkung ermöglichen, indem sie Fließwege freihalten.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass zum lokalen Einbringen des zweiten Binders in zumindest eine(s) der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (a) die Verstärkungsfaserlage und/oder das Verstärkungsfaserbündel dadurch erzeugt wird, indem zwischen die Verstärkungsfasern dieser Verstärkungsfaserlage und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels lokal wenigstens ein offenporiges Vlies des zweiten Binders eingepresst wird. Der zweite Binder kann folglich in vornehmlich flächiger oder vornehmlich bandartiger Form in die Verstärkungsfaserlage bzw. in das Verstärkungsfaserbündel eingebracht werden, wobei das offenporige Vlies des zweiten Binders wiederum Fließwege schafft, welche eine verbesserte Imprägnierung bzw. Tränkung ermöglichen.
Sofern alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Anordnung des zweiten Binders innerhalb einer/eines oder mehrerer der einzelnen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel eine Anordnung des zweiten Binders zwischen zwei, mehreren oder sämtlichen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln des Vorformlings erwünscht ist, um auch dort für eine einwandfreie Permeation des flüssigen Matrixpolymers oder des Harzes bei der Imprägnierung zu sorgen, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch des zweiten Binders zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (b) sowohl der erste Binder als auch der zweite Binder in Partikelform – d. h. in Form von separaten Partikeln einerseits des ersten Binders, andererseits des zweiten Binders – auf zumindest eine(s) der beiden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aufgebracht werden, wonach die andere Verstärkungsfaserlage und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf die mit den Partikeln des ersten Binders und des zweiten Binders versehene Seite der einen Verstärkungsfaserlage und/oder des einen Verstärkungsfaserbündels aufgebracht wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel durch Plastifizieren nur der Partikel des ersten Binders und Andruck der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander fixiert werden. Das Aufbringen der Partikel aus dem ersten und jener aus dem zweiten Binder auf die exponierte Oberfläche der einen Verstärkungsfaserlage bzw. des einen Verstärkungsfaserbündels kann dabei gemäß dem Stand der Technik, z. B. durch Versprühen oder Verrieseln der jeweiligen Binderpartikel, geschehen.
In letztgenanntem Fall kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der zweite Binder mit einer kleineren Partikelgröße als der erste Binder eingesetzt wird, so dass eine gute Fixierung der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander infolge einer Schmelzverbindung sichergestellt wird, wenn der erste Binder plastifiziert wird und nach seinem Erstarren einen Formschluss mit den einander benachbarten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln eingeht, ohne dass dies von benachbarten – kleineren – Partikeln des zweiten Binders verhindert wird. In jedem Fall kann es aus den obigen Gründen insbesondere günstig sein, wenn sowohl der erste Binder als auch der zweite Binder mit einer Partikelgröße eingesetzt werden, welche größer ist als der Querschnitt der Verstärkungsfasern der aneinander zu fixierenden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel. Folglich vermag der erste Binder für eine einwandfreie ”Klebfunktion” der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander zu sorgen, während der zweite Binder seiner Funktion als ”Abstandhalter” nachzukommen vermag.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch des zweiten Binders zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (b) auf zumindest eine(s) der beiden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel Komposit-Partikel aufgebracht werden, welche sowohl den ersten Binder als auch den zweiten Binder enthalten, dabei aber nicht miteinander vermischt sind, wonach die andere Verstärkungsfaserlage und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf die mit den Komposit-Partikeln des ersten und zweiten Binders versehene Seite der einen Verstärkungsfaserlage und/oder des einen Verstärkungsfaserbündels aufgebracht wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel durch Plastifizieren nur des Anteils an erstem Binder der Komposit-Partikel des ersten und zweiten Binders und Andruck der Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander fixiert werden. Das Aufbringen derartiger Komposit-Partikel des ersten und zweiten Binders auf die exponierte Oberfläche der einen Verstärkungsfaserlage bzw. des einen Verstärkungsfaserbündels kann dabei in entsprechender Weise wie oben erfolgen.
Im Falle des Einsatzes solcher Komposit-Partikel kann es sich zum Erreichen der oben beschriebenen Funktionen des ersten und zweiten Binders als vorteilhaft erweisen, wenn Komposit-Partikel eingesetzt werden, welche

– einen Kern aus dem zweiten Binder und eine diesen zumindest teilweise, insbesondere gänzlich, umhüllende Schale des ersten Binders aufweisen; und/oder
– eine Partikelgröße aufweisen, welche größer ist als der Querschnitt der Verstärkungsfasern der aneinander zu fixierenden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel.

Folglich wird beim Fixieren zweier benachbarter Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel aneinander nur die aus dem zweiten Binder gebildete Schale der Komposit-Partikel plastifiziert, so dass der zweite Binder nach Erstarren desselben wiederum einen Formschluss mit den beiden benachbarten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündeln einzugehen vermag, um die Schmelzverbindung sicherzustellen, während der aus dem zweiten Binder gebildete Kern der Komposit-Partikel in festem Zustand belassen wird, um die beiden benachbarten Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel lokal auf Abstand zu halten und hierdurch für die Bildung eines Fließwegs während des Imprägnierens zu sorgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch des zweiten Binders zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (b) der erste Binder in Form eines Vlieses eingesetzt wird, wobei auf zumindest eine(s) der beiden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel zunächst

– der zweite Binder in Partikelform oder
– der zweite Binder in Form eines offenporigen Vlieses aufgebracht wird, sodann das Vlies des ersten Binders aufgelegt wird, wonach insbesondere auf das Vlies des ersten Binders
– der zweite Binder in Partikelform oder
– der zweite Binder in Form eines weiteren offenporigen Vlieses

Stattdessen ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante beispielsweise auch denkbar, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders als auch des zweiten Binders zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel gemäß Schritt (a) der zweite Binder in Form eines offenporigen Vlieses eingesetzt wird, wobei auf zumindest eine(s) der beiden Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel zunächst

– der erste Binder in Partikelform oder
– der erste Binder in Form eines Vlieses

– der erste Binder in Partikelform oder
– der erste Binder in Form eines weiteren Vlieses

Darüber hinaus sind dem Fachmann weitere Anordnungen eines aus einem ersten und einem erfindungsgemäßen zweiten Binder gebildeten Bindersystems möglich, dessen erster Binder infolge Plastifizierens desselben zur Fixierung der Verstärkungsfaserlagen aneinander dient (wobei vorzugsweise eine hinreichende Steifigkeit des Vorformlings erzeugt werden sollte, um ihn mittels automatisierter Greifwerkzeuge handhaben zu können) und dessen zweiter Binder aufgrund Haltens desselben in fester Phase zur Bildung von Permeationswegen anlässlich des anschließenden Imprägnierens der mehrlagigen und/oder mehrsträngigen bzw. mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings dient.
Wie bereits angedeutet, können die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel im Übrigen vorzugsweise in Form von trockenen Halbzeugen eingesetzt werden, insbesondere in Form von gespreizten Verstärkungsfaser-Rovings oder zugeschnittenen Verstärkungsfaser-Tapes, wobei die einzelnen Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel manuell oder automatisiert, z. B. mittels Manipulatoren bzw. Robotern, wie beispielsweise mittels AFP oder ATL, gehandhabt werden können. Die Verstärkungsfaserlagen und/oder -bündel des vorgefertigten, eine mehrlagige und/oder mehrbündelige Verstärkungsfaserstruktur aufweisenden Vorformlings können folglich in Form von trockenen Halbzeugen vorliegen, insbesondere in Form von gespreizten Verstärkungsfaser-Rovings oder zugeschnittenen Verstärkungsfaser-Tapes.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Teilquerschnitt eines Vorformlings mit zwei Verstärkungsfaserlagen, welche mittels eines ersten thermoplastischen Binders aneinander fixiert worden sind, gemäß dem Stand der Technik;
2 und 3 je einen schematischen Teilquerschnitt eines Vorformlings mit zwei Verstärkungsfaserlagen, welche unter Zwischenanordnung sowohl eines ersten thermoplastischen Binders als auch eines separaten zweiten thermoplastischen Binders mittels des ersten Binders aneinander fixiert worden sind, während der zweite Binder nicht plastifiziert worden ist; und
4 und 5 je einen schematischen Teilquerschnitt eines Vorformlings mit zwei Verstärkungsfaserlagen, welche mittels eines ersten thermoplastischen Binders gemäß dem Stand der Technik aneinander fixiert worden sind und in welche ein separater zweiter Binder eingebracht ist, welcher nicht plastifiziert worden ist.
In 1 ist ein Vorformling aus zwei aneinander fixierten, trockenen Verstärkungsfaserlagen 1, 2, z. B. jeweils nach Art eines sogenannten ”Spread Tows” oder ”Slit Tows”, in stark schematisierter Weise wiedergegeben, dessen Verstärkungsfasern 1a aus beliebigen bekannten Materialien, wie Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Naturfasern und dergleichen, gebildet sein können und welcher – wie auch die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele gemäß 2 bis 5 – selbstverständlich auch mehr als zwei Verstärkungsfaserlagen 1, 2 besitzen kann (nicht gezeigt). Die Verstärkungsfaserlagen 1, 2 sind mittels eines pulver- bzw. partikelförmig auf die untere Verstärkungsfaserlage 2 aufgebrachten, z. B. aufgesprühten oder aufgerieselten, ersten thermoplastischen Binders 3 aneinander fixiert worden, indem die obere Verstärkungsfaserlage 1 auf die Partikel des ersten Binders 3 aufgebracht und unter Einwirkung von Wärme, um den ersten Binder 3 zu plastifizieren, mit der unteren Verstärkungsfaserlage 1 verpresst worden ist. Nach dem Erstarren gehen die Partikel des ersten Binders 3 folglich eine Vielzahl an lokalen Verbindungen mit den Verstärkungsfasern 1a der benachbarten Verstärkungsfaserlagen 1, 2 infolge Formschluss ein, doch besteht insbesondere bei relativ dicken und/oder mehreren Verstärkungsfaserlagen 1, 2 das Problem einer nur unzureichenden Imprägnierung derselben mit einem schmelzflüssigen Matrixpolymer oder einem zu einem solchen aushärtbaren Harz.
2 zweigt eine der 1 entsprechende, stark schematisierte Darstellung eines Vorformlings, welcher gleichfalls zwei trockene Verstärkungsfaserlagen 1, 2 aufweist, aber selbstverständlich auch mehrere solcher Lagen 1, 2 umfassen kann. Die beiden Verstärkungsfaserlagen 1, 2 können wiederum z. B. jeweils nach Art eines sogenannten ”Spread Tows” oder ”Slit Tows” ausgestaltet sein und sind in einer der 1 weitgehend entsprechenden Weise mittels eines pulver- oder partikelförmig zwischen sie eingebrachten ersten thermoplastischen Binders 4 aneinander fixiert. Darüber hinaus ist zwischen die beiden Verstärkungsfaserlagen 1, 2 ein separater zweiter, gleichfalls pulver- oder partikelförmiger Binder 5 eingebracht worden, welcher keine Schmelzverbindung mit den beiden Lagen 1, 2 eingeht und beispielsweise einen gegenüber dem ersten Binder 4 höheren Schmelzpunkt besitzt, so dass es anlässlich des Fixierens der beiden Verstärkungsfaserlagen 1, 2 aneinander möglich ist, durch geeignete Temperaturführung nur den ersten Binder 4 zu plastifizieren. Wie aus 2 ersichtlich, dient der zweite Binder 5 zur lokalen Beabstandung der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 voneinander, um auf diese Weise für eine verbesserte Permeabilität beim anschließenden Imprägnieren zu sorgen. Darüber hinaus ist die Partikelgröße des zweiten Binders 5 im vorliegenden Fall geringer als die des ersten Binders 4, aber gleichwohl größer als der Querschnitt der Verstärkungsfasern 1a der Verstärkungsfaserlagen 1, 2, so dass ein formstabiler Vorformling erhalten werden kann, welcher auch in automatisierter Weise, wie beispielsweise mittels AFP oder ATL, gehandhabt werden kann.
Die in 3 schematisch dargestellte Ausführungsform eines Vorformlings unterscheidet sich von der gemäß 2 dadurch, dass der erste Binder 4 und der zweite Binder 5 nicht in Form von separaten Partikeln, sondern in Form von Komposit-Partikeln 6 zwischen die Verstärkungsfaserlagen 1, 2 eingebracht worden sind, wobei der zweite Binder 5 in den Komposit-Partikeln 6 aber gleichwohl in separater Phase vorliegt, d. h. nicht mit dem ersten Binder vermischt, sondern von diesem getrennt ist, wobei die Komposit-Partikel 6 im vorliegenden Fall einen Kern aus dem zweiten Binder 5 und eine Schale aus dem zweiten Binder 4 aufweisen. Der Querschnitt der Komposit-Partikel 6 sowie insbesondere auch deren aus dem zweiten Binder 5 gebildete Kern ist bei der gezeigten Ausführungsform größer als der Querschnitt der einzelnen Verstärkungsfasern 1a der Verstärkungsfaserlagen 1, 2. Wie in 3 erkennbar, dient die Schale der Komposit-Partikel 6 aus dem ersten, anlässlich des Fixierens der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 aneinander plastifizierten ersten Binders 4 wiederum zur mehrfachen lokalen Verbindung der Verstärkungsfasern 1a der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 miteinander infolge Formschluss, während der Kern der Komposit-Partikel 6 aus dem zweiten, (noch) nicht plastifizierten Binder 5 zur lokalen Beabstandung der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 voneinander dient, um auf diese Weise für eine verbesserte Durchlässigkeit bzw. für die Bildung von Fließkanälen beim anschließenden Imprägnieren zu sorgen.
Bei den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen eines Vorformlings ist der zweite Binder 5 wiederum in separater Form in die jeweiligen Verstärkungsfaserlagen 1, 2 lokal eingebracht worden, um die Permeabilität durch das Innere der Lagen 1, 2 anlässlich des Imprägnierens mit einem flüssigen Matrixpolymer oder einem zu einem solchen aushärtbaren Harz zu verbessern. Die Verstärkungsfaserlagen 1, 2 selbst sind mittels des ersten Binders 3 entsprechend dem Stand der Technik gemäß 1 aneinander fixiert, wobei es selbstverständlich von Vorteil sein kann, auch im Falle einer solchen Anordnung des zweiten Binders 5 innerhalb der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 den zweiten Binder 5 zusätzlich zwischen die Verstärkungsfaserlagen 1, 2 einzubringen, sei es in Form von Partikeln, wie sie in 2 und 3 gezeigt sind, sei es in Form eines offenporigen Vlieses (nicht gezeigt) oder sei es auf beliebige andersartige Weise.
Bei der Ausgestaltung gemäß 4 liegt der zweite Binder 5 in Form von zwischen die Verstärkungsfasern 1a der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 eingebrachten, z. B. mit diesen verpressten, separaten Partikeln 7 oder Fasern/Filamenten vor, deren Querschnitt sich von dem der Verstärkungsfasern 1a unterscheidet und beispielsweise demgegenüber größer sowie unregelmäßig ist, um für eine lokale Beabstandung einzelner Verstärkungsfasern 1a voneinander zu sorgen und auf diese Weise Permeationskanäle für die anschließende Imprägnierung zu bilden.
Bei der Ausgestaltung gemäß 5 liegt der zweite Binder 5 stattdessen in Form von zwischen die Verstärkungsfasern 1a der Verstärkungsfaserlagen 1, 2 eingebrachten, z. B. mit diesen verpressten, separaten offenporigen Vliesen 8 vor, welche gleichfalls eine lokale Beabstandung einzelner Verstärkungsfasern 1a voneinander gewährleisten und auf diese Weise eine verbesserte Benetzung der Verstärkungsfasern 1a während der anschließenden Imprägnierung sicherstellen.
In jedem Fall kann es von Vorteil sein, wenn sowohl der erste Binder 4 als auch der zweite Binder 5 nach dem Imprägnieren des Vorformlings plastifiziert und insbesondere mit dem hiermit verträglichen, schmelzflüssigen Matrixpolymer oder dem zu diesem aushärtenden Harz vermischt wird, um für eine homogene Polymermatrix ohne die Bildung innerer Phasengrenzen zu sorgen, welche die mechanischen Werkstoffeigenschaften des fertigen Formteils beeinträchtigen könnten. Indes ist es selbstverständlich auch möglich, dass zumindest der zweite Binder gar nicht plastifiziert wird oder gegebenenfalls auch gar nicht plastifizierbar ist, wobei er in diesem Fall vorzugsweise aus einem dem Matrixpolymer entsprechenden Material eingesetzt werden sollte, um für eine einwandfreie Anbindung an dieses zu sorgen, sei es durch Anschmelzen des schmelzflüssigen Matrixpolymers an den zweiten Binder oder sei es durch Einbindung in eine durch Aushärten eines Harzes erzeugte thermoplastische oder duroplastische Polymermatrix.
Sowohl für den ersten Binder 4 als auch für den zweiten Binder 5 können beispielsweise handelsübliche, zur Stabilisierung von Verstärkungsfasern 1a geeignete Bindertypen eingesetzt werden, wobei exemplarisch auf die verschiedenen, unter dem Handelsnamen ”EPIKOTE” der Firma Momentive kommerziell erhältliche Bindertypen verwiesen sei, welche in der erfindungsgemäßen Weise miteinander kombiniert und verarbeitet werden können.
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

DE 20120447 U1 [0008]
US 2009/0209159 A1 [0009]
EP 0554236 B1 [0011]
DE 102009044833 A1 [0012]
DE 102011012654 A1 [0012]
DE 10132342 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils, wobei eine Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder Verstärkungsfaserbündel aufeinander aufgebracht und mittels eines ersten, plastifizierbaren Binders (4) aneinander fixiert werden, indem die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel unter Zwischenanordnung des ersten Binders (4) aufeinander aufgebracht werden und der erste Binder (4) unter Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander plastifiziert wird, und wobei nach dem Fixieren der Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander mittels des ersten Binders (4) der derart erhaltene, aus der mehrlagigen und/oder mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur (1, 2) gebildete Vorformling – mit wenigstens einem plastifizierten Matrixpolymer imprägniert und das Matrixpolymer anschließend erstarrt wird; oder – mit wenigstens einem zu einem Matrixpolymer aushärtbaren Harz imprägniert und das Harz anschließend zu dem Matrixpolymer ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) in zumindest eine(s) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel ein zweiter Binder (5) mit gegenüber dem ersten Binder (4) unterschiedlichen Schmelzeigenschaften lokal eingebracht wird; und/oder (b) zumindest zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel unter Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders (4) als auch eines zweiten Binders (5) mit gegenüber dem ersten Binder (4) unterschiedlichen Schmelzeigenschaften aufeinander aufgebracht werden, wobei nur der erste Binder (4) unter Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander plastifiziert wird, um die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander zu fixieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Binder (4) als auch der zweite Binder (5) nach dem Imprägnieren der aus der Mehrzahl an mittels des ersten Binders (4) aneinander fixierten Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel erhaltenen, mehrlagigen und/oder mehrbündeligen Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings plastifiziert werden, wobei die plastifizierten ersten (4) und zweiten Binder (5) insbesondere in das hiermit verträgliche Matrixpolymer oder in das zu diesem aushärtbare Harz eingemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Binder (4) wenigstens ein erstes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer und als zweiter Binder (5) wenigstens ein zweites, insbesondere thermoplastisches und/oder thermoelastisches, Polymer mit – einem gegenüber dem ersten Polymer des ersten Binders (4) höheren Schmelzpunkt und/oder – gegenüber dem ersten Polymer des ersten Binders (4) unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung eingesetzt wird, wobei zum Plastifizieren des ersten Binders (4) anlässlich des Fixierens der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander – eine Temperatur eingestellt wird, welche wenigstens der Schmelztemperatur des ersten Binders (4) entspricht und kleiner ist als die Schmelztemperatur des zweiten Binders (5), und/oder – diese mit elektromagnetischer Strahlung mit einem ersten Frequenzbereich und/oder einer ersten Leistung bestrahlt werden, welche im Absorptionsbereich nur des ersten Binders (4) liegt und/oder welche nur den ersten Binder (4) zu plastifizieren vermag.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plastifizieren des zweiten Binders (5) aus einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer nach dem Imprägnieren der Verstärkungsfaserstruktur des Vorformlings – eine Temperatur eingestellt wird, welche wenigstens der Schmelztemperatur sowohl des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) entspricht; und/oder – die Verstärkungsfaserstruktur mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, deren Frequenz sowohl im Absorptionsbereich des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) liegt und/oder welche eine hinreichende Leistung aufweist, um sowohl den ersten Binder (4) als auch den zweiten Binder (5) zu plastifizieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zweite Binder in Form von – separaten Partikeln (7), Fasern und/oder Vliesen aus dem zweiten Binder; und/oder – Komposit-Partikeln (6) sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Binder, wobei ein Kern der Komposit-Partikel (6) aus dem zweiten Binder gebildet ist, insbesondere mit einer gegenüber dem Querschnitt der Verstärkungsfasern (1a) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel verschiedenen Querschnittsform und/oder -größe, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum lokalen Einbringen des zweiten Binders (5) in zumindest eine(s) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (a) die Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das Verstärkungsfaserbündel dadurch erzeugt wird, indem zwischen die Verstärkungsfasern (1a) dieser Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels lokal Partikel (7) und/oder Fasern des zweiten Binders (5) eingebracht werden, wobei die Partikel (7) und/oder Fasern des zweiten Binders (5) insbesondere mit einer gegenüber dem Querschnitt der Verstärkungsfasern (1a) dieser Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels verschiedenen Querschnittsform und/oder -größe eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum lokalen Einbringen des zweiten Binders (5) in zumindest eine(s) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (a) die Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das Verstärkungsfaserbündel dadurch erzeugt wird, indem zwischen die Verstärkungsfasern (1a) dieser Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder dieses Verstärkungsfaserbündels lokal wenigstens ein offenporiges Vlies (8) des zweiten Binders (5) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (b) sowohl der erste Binder (4) als auch der zweite Binder (5) in Partikelform auf zumindest eine(s) der beiden Verstärkungsfaserlagen (2, 1) und/oder -bündel aufgebracht werden, wonach die andere Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf die mit den Partikeln des ersten Binders (4) und mit den Partikeln des zweiten Binders (5) versehene Seite der einen Verstärkungsfaserlage (2, 1) und/oder des einen Verstärkungsfaserbündels aufgebracht wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel durch Plastifizieren nur der Partikel des ersten Binders (4) und Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Binder (5) mit einer kleineren Partikelgröße als der erste Binder (4) eingesetzt wird, wobei insbesondere sowohl der erste Binder (4) als auch der zweite Binder (5) mit einer Partikelgröße eingesetzt werden, welche größer ist als der Querschnitt der Verstärkungsfasern (1a) der aneinander zu fixierenden Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (b) auf zumindest eine der beiden Verstärkungsfaserlagen (2, 1) und/oder -bündel Komposit-Partikel (6) aufgebracht werden, welche sowohl den ersten Binder (4) als auch den zweiten Binder (5) enthalten, wonach die andere Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf die mit den Komposit-Partikeln (6) des ersten (4) und zweiten Binders (5) versehene Seite der einen Verstärkungsfaserlage und/oder des einen Verstärkungsfaserbündels aufgebracht (2, 1) wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel durch Plastifizieren nur des Anteils an erstem Binder (4) der Komposit-Partikel (6) des ersten (4) und zweiten Binders (5) und Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Komposit-Partikel (6) eingesetzt werden, welche – einen Kern aus dem zweiten Binder (5) und eine diesen zumindest teilweise, insbesondere gänzlich, umhüllende Schale des ersten Binders (4) aufweisen; und/oder – eine Partikelgröße aufweisen, welche größer ist als der Querschnitt der Verstärkungsfasern (1a) der aneinander zu fixierenden Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (b) der erste Binder (4) in Form eines Vlieses eingesetzt wird, wobei auf zumindest eine der beiden Verstärkungsfaserlagen (2, 1) und/oder -bündel zunächst – der zweite Binder (5) in Partikelform oder – der zweite Binder (5) in Form eines offenporigen Vlieses aufgebracht wird, sodann das Vlies des ersten Binders (4) aufgelegt wird, wonach insbesondere auf das Vlies des ersten Binders (4) – der zweite Binder (5) in Partikelform oder – der zweite Binder (5) in Form eines weiteren offenporigen Vlieses aufgebracht wird, wonach die andere Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf das insbesondere mit den Partikeln oder mit dem weiteren offenporigen Vlies des zweiten Binders (5) versehene Vlies des ersten Binders (4) aufgebracht wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel durch Plastifizieren nur des ersten Binders (4) und Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenanordnung sowohl des ersten Binders (4) als auch des zweiten Binders (5) zwischen zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel gemäß Schritt (a) der zweite Binder (5) in Form eines offenporigen Vlieses eingesetzt wird, wobei auf zumindest eine der beiden Verstärkungsfaserlagen (2, 1) und/oder -bündel zunächst – der erste Binder (4) in Partikelform oder – der erste Binder (4) in Form eines Vlieses aufgebracht wird, sodann das Vlies des zweiten Binders (5) aufgelegt wird, wonach insbesondere auf das Vlies des zweiten Binders (5) – der erste Binder (4) in Partikelform oder – der erste Binder (4) in Form eines weiteren Vlieses aufgebracht wird, wonach die andere Verstärkungsfaserlage (1, 2) und/oder das andere Verstärkungsfaserbündel auf das insbesondere mit den Partikeln oder mit dem weiteren Vlies des ersten Binders (4) versehene Vlies des zweiten Binders (5) aufgebracht wird, wonach die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel durch Plastifizieren nur des ersten Binders (4) und Andruck der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel aneinander fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel in Form von trockenen Halbzeugen eingesetzt werden, insbesondere in Form von gespreizten Verstärkungsfaser-Rovings (Spread Tows) oder zugeschnittenen Verstärkungsfaser-Tapes (Slit Tows).
Vorformling zur Herstellung eines faserverstärkten Polymer-Formteils, mit einer aus einer Mehrzahl an Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder Verstärkungsfaserbündel gebildeten Verstärkungsfaserstruktur, deren Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel mittels eines zwischen denselben angeordneten ersten, plastifizierbaren Binders (4) infolge Schmelzverbindung aneinander fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass (a) in zumindest eine der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel ein zweiter Binder (5) mit gegenüber dem ersten, zur Schmelzverbindung der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel dienenden Binder unterschiedlichen Schmelzeigenschaften lokal eingebracht ist; und/oder (b) zumindest zwei benachbarte Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel unter Zwischenanordnung sowohl des ersten, zur Schmelzverbindung der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel dienenden Binders (4) als auch eines zweiten Binders (5) mit gegenüber dem ersten Binder (4) unterschiedlichen Schmelzeigenschaften aufeinander aufgebracht sind, wobei der zweite Binder (5) keine Schmelzverbindung mit den Verstärkungsfasern (1a) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel eingegangen ist.
Vorformling nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Binder in Form von Partikeln (7), Fasern und/oder Vliesen aus dem zweiten Binder, insbesondere mit einer gegenüber dem Querschnitt der Verstärkungsfasern (1a) der Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel verschiedenen Querschnittsform und/oder -größe, vorliegt.
Vorformling nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Binder (4) und bei dem zweiten Binder (5) um Binder gemäß einem der Ansprüche 3 oder 6 bis 13 handelt.
Vorformling nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass seine Verstärkungsfaserlagen (1, 2) und/oder -bündel in Form von trockenen Halbzeugen vorliegen, insbesondere in Form von gespreizten Verstärkungsfaser-Rovings (Spread Tows) oder zugeschnittenen Verstärkungsfaser-Tapes (Slit Tows).