DE102015114179A1

DE102015114179A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mit definierter Faserausrichtung

Info

Publication number: DE102015114179A1
Application number: DE102015114179.5A
Authority: DE
Inventors: Sabine Zitzlsberger
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: DE102015114179B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils mit definierter Faserausrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Bereitstellen von Armierungsfasern (1), – Einbringen der Armierungsfasern (1) in einen Kunststoff (2), so dass ein homogenes Kunststoff-Faser-Gemisch (3) entsteht, – Einfüllen des Kunststoff-Faser-Gemischs (3) mithilfe von Wärme und Druck in eine Kavität (4) und – Ausrichten der Armierungsfasern (1) durch das Erzeugen eines Magnetfeldes, das sich zumindest teilweise in die Kavität (4) hinein erstreckt. Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug (5) zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils gemäß dem beschriebenen Verfahren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils mit einer definierten Faserausrichtung sowie ein Formwerkzeug zum Herstellen eines solchen faserverstärkten Bauteils.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen ist es heutzutage üblich, Additive dem Kunststoff beizumischen, welche die Eigenschaften des Bauteils beeinflussen. Um beispielsweise die Steifigkeit oder die Festigkeit von Kunststoffbauteilen zu erhöhen, werden häufig Fasern dem Kunststoff beigemischt. Das Problem bei den meisten Fasern besteht jedoch darin, dass die mechanischen Eigenschaften der Fasern je nach Beanspruchungsrichtung schwanken können. Beispielsweise können Fasern entlang ihrer Längsrichtung stärker belastet werden, als in eine Richtung, die quer zur Längsrichtung verläuft.
Faserverstärkter Kunststoff wird normalerweise in Form eines Spritzgussprozesses in die Form des gewünschten Bauteils gebracht. Bei einem solchen Spritzgussprozess ist es jedoch nur in einem sehr begrenzten Maß möglich, die enthaltenen Fasern definiert auszurichten. Die Folge ist eine inhomogene Faserausrichtung innerhalb des Bauteils, was zu einem inhomogenen Materialverhalten des Bauteils führt.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Formwerkzeug zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils bereitzustellen, die es ermöglichen, die Ausrichtung von Fasern während der Erzeugung des Bauteils zu steuern.
Die vorliegende Erfindung löst die erfindungsgemäße Aufgabe mit einem Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils und einem Formwerkzeug zum Herstellen eines solchen faserverstärkten Bauteils gemäß den Merkmalen der Hauptansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung sowie in den Zeichnungen offenbart.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils mit einer definierten Faserausrichtung umfasst den Schritt des Bereitstellens von Armierungsfasern mit magnetischen Eigenschaften. Die Armierungsfasern können beispielsweise dazu dienen, die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit oder Elastizität des herzustellenden Bauteils zu beeinflussen. Die Armierungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern, Polyesterfasern oder Glasfasern sein. Es können jedoch auch natürliche Faserarten wie zum Beispiel Kenaf-Fasern oder Basaltfasern Anwendung finden. Die magnetischen Eigenschaften der Armierungsfasern können entweder erzeugt sein, indem die Faser selbst aus einem magnetischen Material besteht. Die Armierungsfasern können jedoch auch mit einem magnetischen Material, beispielsweise in Form einer Beschichtung, ausgestattet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt des Einbringens der Armierungsfasern in einen Kunststoff, so dass ein homogenes Kunststoff-Faser-Gemisch entsteht. Es ist hierbei von Vorteil, wenn der Kunststoff während dieses Schrittes des Einbringens auf eine Temperatur erwärmt ist, die nahe und bevorzugt oberhalb seiner Schmelztemperatur liegt, so dass sich der Kunststoff in einem flüssigen Zustand befindet. Das Einbringen kann erfolgen, indem die Armierungsfasern dem Kunststoff beigemengt werden und beispielsweise ein anschließender Mischprozess die Armierungsfasern gleichmäßig im Kunststoff verteilt. Es hat sich gezeigt, dass sich eine Faserlänge der Armierungsfasern von 3 bis 15 mm besonders für ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet. Das erzeugte Kunststoff-Faser-Gemisch wird anschließend in einem Schritt des Einfüllens mithilfe von Wärme und Druck in eine Kavität eines Formwerkzeuges eingebracht. Sofern das Einbringen der Armierungsfasern in den Kunststoff erfolgt, während sich der Kunststoff in dem flüssigen Zustand befindet, ist es vorteilhaft, wenn das Einfüllen in die Kavität unmittelbar nach dem Einbringen der Armierungsfasern in den Kunststoff erfolgt, so dass der Kunststoff seinen flüssigen Zustand bis zum Einfüllen in die Kavität beibehält.
Ist die Kavität des Formwerkzeuges mit dem Kunststoff-Faser-Gemisch gefüllt, folgt der Schritt des Ausrichtens der Armierungsfasern innerhalb des Formwerkzeuges. Die Ausrichtung erfolgt durch Erzeugen eines Magnetfeldes, das sich zumindest teilweise in die Kavität hinein erstreckt. Da die Armierungsfasern magnetische Eigenschaften aufweisen, beginnen die Fasern sich nach den Feldlinien des Magnetfeldes auszurichten. Es ist daher bevorzugt, dass die Feldlinien innerhalb der Kavität zumindest abschnittsweise einen Verlauf aufweisen, der der gewünschten Ausrichtung der Armierungsfasern entspricht. Um ein Ausrichten der Armierungsfasern durch ein Magnetfeld zu ermöglichen, handelt es sich bei dem Magnetfeld bevorzugt um ein statisches Magnetfeld. Die Pole des Magnetfeldes bleiben also stets konstant. Das statische Magnetfeld behält also während des Schrittes des Ausrichtens seine Polung bei.
Das Ausrichten der Armierungsfasern kann zusätzlich begünstigt und vor allem beschleunigt werden, wenn der Kunststoff während des Schrittes des Ausrichtens einen flüssigen Zustand aufweist.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass es sich bei den magnetischen Eigenschaften der Armierungsfasern um magnetische, ferromagnetische oder paramagnetische Eigenschaften handeln kann. Unter magnetischen Eigenschaften kann also in diesem Zusammenhang auch verstanden werden, dass die Armierungsfasern erst magnetische Eigenschaften aufweisen, wenn ein Magnetfeld auf die Armierungsfasern einwirkt.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auf besonders kostengünstige und effiziente Weise eine Ausrichtung der Fasern während der Erzeugung eines faserverstärkten Bauteils realisiert werden. Je nach Ausrichtung des Magnetfeldes können die Armierungsfasern innerhalb des Formwerkzeuges gezielt in ihrer Ausrichtung an das Bauteil und an die zu erwartenden Belastungen auf das Bauteil angepasst werden. Weiterhin kann auf diese Weise das Materialverhalten des gesamten Bauteils homogenisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Material bei der Erzeugung des faserverstärkten Bauteils eingespart werden kann, da durch die Ausrichtung der Armierungsfasern Bauteile mit dünneren Wandstärken mechanische Eigenschaften aufweisen können, die konventionelle Bauteile nur mit höheren Wandstärken aufweisen können.
Um sicherzustellen, dass der Kunststoff während des Schrittes des Einfüllens und/oder des Ausrichtens in seinem flüssigen Zustand vorliegt, kann das Formwerkzeug vor oder während dieser Schritte auf eine Temperatur erwärmt werden, die größer als eine Schmelztemperatur des Kunststoffs ist. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Viskosität des Kunststoffes während des Einspritzens und/oder Ausrichtens konstant gehalten und ggf. angepasst werden kann. Entsprechend ist auf diese Weise sichergestellt, dass während des Schrittes des Ausrichtens die Fasern definiert ausgerichtet werden können, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Kunststoff während des Ausrichtens seine Viskosität erhöht, da dies das Ausrichten der Armierungsfasern erschweren würde.
Das Formwerkzeug kann zumindest anteilig aus einem Material bestehen, das induktiv erwärmbar ist. Eine Erwärmung des Formwerkzeuges kann in diesem Fall erfolgen, indem ein dynamisches Magnetfeld, also ein Magnetfeld, welches ständig seine Polung ändert, auf das Formwerkzeug einwirkt und dieses erwärmt. Das dynamische Magnetfeld durchsetzt also zumindest teilweise das Formwerkzeug. Es ist hierbei von Vorteil, wenn das dynamische Magnetfeld im Formwerkzeug erzeugt wird, ohne dass das dynamische Magnetfeld die Kavität durchsetzt. Somit ist sichergestellt, dass das dynamische Magnetfeld die Ausrichtung der Armierungsfasern nicht beeinflussen kann.
Das Ausrichten der Armierungsfasern kann beispielsweise durch eine Feldstärke des Magnetfeldes und/oder eine Erzeugungsdauer des Magnetfeldes in Abhängigkeit von einer Viskosität des Kunststoffes gesteuert werden. Um die Viskosität des Kunststoffes zu bestimmen, kann das Formwerkzeug einen Temperatursensor aufweisen, der entweder die Temperatur des Formwerkzeuges oder die Temperatur des Kunststoffes direkt bestimmt. Aus der Temperatur des Kunststoffes lässt sich seine Viskosität ableiten. Unter der Erzeugungsdauer kann in diesem Zusammenhang das Zeitintervall verstanden werden, in dem das bevorzugt statische Magnetfeld die Kavität durchsetzt. Auf diese Weise kann beispielsweise gesteuert werden, wie stark sich die Armierungsfasern entlang der Feldlinien des erzeugten Magnetfeldes orientieren sollen. Ist es beispielsweise gewünscht, dass sich die Armierungsfasern nicht vollständig parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes ausrichten, kann beispielsweise die Erzeugungsdauer des Magnetfeldes auf die Armierungsfasern reduziert werden bei gleichbleibender Viskosität. Ebenso kann die Viskosität des Kunststoffes durch Abkühlen des Werkzeuges bei gleichbleibender Magnetfeldstärke die Ausrichtung der Armierungsfasern beeinflussen. Über die Magnetfeldstärke kann des Weiteren gesteuert werden, wie tief das Magnetfeld in den Kunststoff eindringt. Folglich kann das Ausrichten beispielsweise auf Armierungsfasern beschränkt werden, die einen nur geringen Abstand zur Quelle des Magnetfeldes aufweisen.
Um die Eigenschaften der Armierungsfasern, die das Bauteilverhalten beeinflussen, weiter zu verstärken, ist es von Vorteil, Armierungsfasern während des Schrittes des Ausrichtens parallel zueinander, insbesondere unidirektional anzuordnen. Dies hat den Vorteil, dass im zu erzeugenden Bauteil eine Art Hauptkraftrichtung erzeugt werden kann, in der das Bauteil die durch die Armierungsfasern gewünschte Eigenschaft besonders ausbildet.
Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders effektiv durchführbar ist, wenn während des Schrittes des Ausrichtens mehrere Magnetfelder erzeugt werden. Die mehreren Magnetfelder werden durch unterschiedliche Quellen erzeugt und können beispielsweise in verschiedenen Bereichen des Formwerkzeuges auf die Kavität einwirken, so dass sich je nach Anordnung und Eigenschaften der Magnetfelder die Ausrichtungen der Armierungsfasern in verschiedenen Bereichen der Kavität voneinander unterscheiden können. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Faserausrichtung der Kontur des Bauteils folgen soll.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass ein Teil der mehreren Magnetfelder aus statischen Magnetfeldern besteht, die die Kavität durchsetzen und ein zweiter Teil der mehreren Magnetfelder aus dynamischen Magnetfeldern bestehen, die das Formwerkzeug durchsetzen. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der Magnetfelder dem Ausrichten der Armierungsfasern dient und ein Teil der Magnetfelder gleichzeitig über induktive Erwärmung das Formwerkzeug beheizen. Es ist hierbei von besonderem Vorteil, wenn die dynamischen Magnetfelder nicht in die Kavität eindringen.
Da die verschiedensten Faserarten als Armierungsfasern Anwendung finden können, ist es von Vorteil, wenn der Schritt des Bereitstellens der Fasern das Ausrüsten von nichtmetallischen Fasern mit einem magnetischen Material umfasst. Somit ist es möglich, Armierungsfasern zu verwenden, die für sich allein keine magnetischen Eigenschaften aufweisen. Das Ausrüsten der nichtmagnetischen Fasern kann beispielsweise durch Tränken oder Lackieren der Fasern erfolgen.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die nichtmagnetischen Fasern mit magnetischen Nanopartikeln, insbesondere mit Nanoferriten, ausgerüstet werden. Diese Nano-Ferrite haben den Vorteil, dass sie zum einen stark ferromagnetisch sind, sobald ein Magnetfeld auf dieses wirkt und gleichsam beeinflussen sie die nichtmagnetischen Fasern nur unwesentlich, so dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften der nichtmagnetischen Fasern durch die Nanopartikel nicht nachteilig beeinflusst werden.
Es ist von Vorteil, wenn dem Kunststoff ein chemisches oder physikalisches Treibmittel beigemischt wird und das Kunststoff-Faser-Gemisch nach dem Schritt des Ausrichtens im Formwerkzeug aufschäumt. Es hat sich gezeigt, dass durch die homogene Struktur des Kunststoff-Faser-Gemischs, die durch das Ausrichten der Fasern erzeugt wird, eine Porenbildung, die beim Aufschäumen einsetzt, hauptsächlich zwischen den Armierungsfasern einsetzt. Das heißt, die Armierungsfasern schmiegen sich an die Wandungen der entstehenden Poren an. Durch das Aufschäumen kann die Struktur des faserverstärkten Bauteils zusätzlich versteift und das Gewicht des Bauteils reduziert werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils gemäß dem oben beschriebenen Verfahren mit einer ersten und einer zweiten Formhälfte, die gemeinsam eine Kavität ausbilden, und zumindest einer elektrisch leitfähigen Spule. Die Spule ist in zumindest einer der beiden Formhälften integriert. Darüber hinaus ist mit der Spule zumindest ein statisches Magnetfeld erzeugbar, dessen Feldlinien zumindest teilweise innerhalb der Kavität verlaufen. Die Spule kann hierzu entweder direkt in dem Formwerkzeug in geringem Abstand zur Kavität oder auch auf dem Formwerkzeug angeordnet sein. Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Spule in geringem Abstand zur Kavität in eine der Formhälften eingebracht ist, da auf diese Weise bereits Magnetfelder mit geringer Feldstärke die Kavität durchsetzen können.
Die Spule steht bevorzugt mit einer Spannungsquelle in elektrischer Verbindung, mit welcher sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung erzeugbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit ein und derselben Spule sowohl ein statisches Magnetfeld als auch ein dynamisches Magnetfeld erzeugbar ist. Somit kann beispielsweise während des Einbringens des Kunststoff-Faser-Gemisches mit einem dynamischen Magnetfeld das Formwerkzeug erwärmt werden. Es wird bevorzugt, dass zumindest eine der Formhälften aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht. Um sicherzustellen, dass die Spule durch das Erwärmen der Formhälften nicht beschädigt wird, kann die Spule einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen.
Während des Ausrichtens der Armierungsfasern kann hingegen durch das Anlegen einer Gleichspannung ein statisches Magnetfeld erzeugt werden, das die Armierungsfasern ausrichtet. Es ist hierbei von Vorteil, wenn die Spannungsquelle eine Wechselspannung mit geringerer Stromstärke bzw. Spannung erzeugt als eine Gleichspanung. So kann auf einfache Weise sicher gestellt werden, dass das dynamische Magnetfeld nicht in die Kavität des Formwerkzeuges eindringt. Die Gleichspannung dient hierbei der Erzeugung eines statischen Magnetfeldes und die Wechselspannung dient der Erzeugung eines dynamischen Magnetfeldes.
Es hat sich gezeigt, dass eine Spule in einer Mäanderform besonders geeignet ist für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug. Hierbei kann die Spule mehrere aufeinander folgende Mäander ausbilden. Unter einer Mäanderform kann in diesem Zusammenhang eine Form verstanden werden, bei der ein elektrischer Leiter, insbesondere in einer Ebene, nacheinander angeordnete Schlingen oder Schlaufen und somit die Spule ausbildet.
Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug besonders effektiv nutzbar ist, wenn die Spule in einem Abstand von 2 bis 10 Zentimeter zur Kavität angeordnet ist. Innerhalb dieses Bereiches ist noch ausreichend Raum zwischen Spule und Kavität vorhanden, um eine stabile Kavität im Formwerkzeug ausbilden zu können und gleichsam ist der Abstand noch gering genug, um mit möglichst wenig Energie die gewünschten Magnetfelder mithilfe der Spule erzeugen zu können.
Es ist hierbei von Vorteil, wenn zumindest ein Teil des von der Spule erzeugten Magnetfeldes parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der Kavität verläuft. Unter der Haupterstreckungsrichtung kann die zu erwartende Hauptbelastungsrichtung des zu erzeugenden Bauteils verstanden werden. Durch eine Ausrichtung der Feldlinien entlang der Haupterstreckungsrichtung ist somit sichergestellt, dass die mechanischen Eigenschaften der Armierungsfasern in der Richtung des Bauteils, in der die höchsten Belastungen zu erwarten sind, am stärksten ausgebildet sind.
Um die Ausrichtung der Fasern innerhalb der Kavität noch definierter beeinflussen zu können, ist es von Vorteil, wenn in der ersten und/oder in der zweiten Formhälfte mehrere Spulen integriert sind, die voneinander unabhängige Magnetfelder erzeugen können. Es ist also bevorzugt, dass die mehreren Spulen von unabhängigen Spannungsquellen bestromt werden können, so dass die Art sowie die Eigenschaften der Magnetfelder für jede Spule definierbar sind. Neben der verbesserten Ausrichtung der Fasern in der Kavität kann somit ebenfalls realisiert werden, dass ein Teil der Spulen dynamische Magnetfelder erzeugt, um die Formhälften zu erwärmen und ein zweiter Teil statische Magnetfelder erzeugt, um die Armierungsfasern auszurichten. Die einzelnen Magnetfelder der einzelnen Spulen können sich hierbei überlagern.
Um zu gewährleisten, dass die mehreren Spulen ein homogenes Ausrichten der Fasern innerhalb der Kavität bewirken, können die Spulen entlang der Kavität im Formwerkzeug im konstanten Abstand zur Kavität angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Spulen an die Form der Kavität angepasst werden können und gleichsam die Ausrichtung der Armierungsfasern der Kontur der Kavität bzw. des zu erzeugenden Bauteils angepasst erfolgen kann.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf ein Verfahren sowie auf ein Formwerkzeug beschrieben. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind die Ausführungen zum Verfahren analog auf das Formwerkzeug anwendbar. Dasselbe gilt natürlich in der umgekehrten Richtung, so dass auch die Ausgestaltungen des Formwerkzeuges ihren Niederschlag im Verfahren finden.
Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort und oben beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 das Ausrüsten von nichtmagnetischen Fasern mit magnetischem Material,
2 das Mischen von Kunststoff und Armierungsfasern zu einem Kunststoff-Faser-Gemisch,
3a bis 3d ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug in einer dreidimensionalen Schnittansicht während eines Einbringens des Kunststoff-Faser-Gemisches und Ausrichtens der Armierungsfasern.
1 zeigt einen möglichen Verfahrensschritt zum Ausrüsten von nichtmagnetischen Fasern 8 mit einem magnetischen Material 9. Hierzu werden die nichtmagnetischen Fasern 8, die bereits in der gewünschten Länge von ca. 5 bis 7 Millimetern zugeschnitten sind, in einem Bad getränkt, welches das magnetische Material 9 enthält. Das magnetische Material 9 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Nanopartikeln auf Ferrit-Basis, wobei die nichtmagnetischen Fasern 8 aus Glas ausgebildet sind. Durch das Einbringen der nichtmagnetischen Fasern 8 in das Bad, werden die nichtmagnetischen Fasern 8 mit den Nanopartikeln benetzt. Das Bad kann hierbei ausschließlich durch das magnetische Material 9 ausgebildet sein, was beispielsweise durch Aufschmelzen des Materials realisiert sein kann oder alternativ ist es auch möglich, dass das magnetische Material 9 zusammen mit einer Flüssigkeit im Bad vorliegt. Liegt das magnetische Material 9 zusammen mit der Flüssigkeit vor, ist es von Vorteil, wenn die ausgerüsteten Fasern getrocknet werden, so dass ein späteres Ablösen des magnetischen Materials 9 ausgeschlossen werden kann. Um die Verbindungswirkung zwischen magnetischem Material 9 und nichtmagnetischen Fasern 8 zu erhöhen, kann zusätzlich ein Klebstoff oder ein Haftvermittler dem Bad beigemischt sein.
Da nach dem Tränken Armierungsfasern 1 mit magnetischen Eigenschaften bereitgestellt sind, werden die Armierungsfasern 1 einem Kunststoff 2 beigemischt, wie es beispielsweise in 2 ersichtlich ist. Die Einbringung der Armierungsfasern 1 erfolgt, indem die Fasern 1 während eines Extrusionsprozesses in den Kunststoff 2 eingegeben werden. Noch bevor die Armierungsfasern 1 dem Kunststoff beigemischt werden, wird ein Kunststoffgranulat in den Extruder 14 eingegeben und durch eine Extruderschnecke 15 verdichtet und entsprechend aufgeschmolzen. Erst nachdem der Kunststoff 2 aufgeschmolzen wurde, werden die Armierungsfasern 1 dem Kunststoff 2 beigegeben. Dies wird realisiert, indem die Armierungsfasern 1 an einer Stelle in den Extruder 14 eingebracht werden, an der der Kunststoff 2 bereits in den flüssigen Zustand übergegangen ist. Durch die Bewegung der Extruderschnecke 15 wird das darin befindliche Material nicht nur verdichtet und erhitzt, sondern darüber hinaus auch homogenisiert. Dies wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Armierungsfasern 1 aus, die sich gleichmäßig in dem Kunststoff 2 verteilen, so dass ein homogenes Kunststoff-Faser-Gemisch 3 entsteht.
Der Extruder 14 schließt unmittelbar an ein Formwerkzeug 5 an, so dass das noch flüssige erzeugte Kunststoff-Faser-Gemisch 3 in das Formwerkzeug 5 eingebracht wird.
3a bis 3d zeigen dieses Formwerkzeug 5 in einer dreidimensionalen Schnittansicht. 3a zeigt hierbei ein unbefülltes Formwerkzeug 5 mit geschlossen Formhälften. Das Formwerkzeug 5 besteht aus einer ersten 10 und einer zweiten Formhälfte 11. Zwischen den Formhälften 10, 11 wird eine Kavität 4 ausgebildet, die eine Negativform des zu erzeugenden Bauteils ausbildet. Um diese Kavität 4 herum sind sowohl in der ersten 10 als auch in der zweiten Formhälfte 11 mehrere Spulen 12 angeordnet. Diese Spulen 12 sind elektrisch leitfähig, so dass beim Hindurchleiten eines Stromes elektromagnetische Felder erzeugbar sind.
Um die Form dieser Spulen 12 zu verdeutlichen, ist in 3a ein zusätzlicher Schnitt in die erste Formhälfte 10 eingebracht. Die Spulen werden hierbei durch einen elektrischen Leiter ausgebildet, der sich entlang der Haupterstreckungsrichtung 13 mäanderförmig entlang der Kavität 4 schlängelt. Die Mäander verlaufen hierbei in etwa parallel zur Kontur der Kavität 4, so dass ein Magnetfeld erzeugbar ist, was möglichst gleichmäßig die Kavität 4 im Bereich der Spule 12 durchsetzt. Die Abstände der Spulen 12 zum Rand der Kavität 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 2,5 cm konstant gewählt. Die Abstände zwischen den Spulen 12 können jedoch variieren. Sowohl die Größe der Spulen 12 als auch der Abstand der Spulen zueinander werden im Wesentlichen durch die gewünschte Faserausrichtung innerhalb der Kavität 4 bestimmt.
3b zeigt das erfindungsgemäße Formwerkzeug 5 unmittelbar nach dem Einbringen des Kunststoff-Faser-Gemisches 3. Alle im Formwerkzeug 5 befindlichen Spulen 12 erzeugen ein dynamisches Magnetfeld 7, welches die Formhälften 10, 11 des Formwerkzeuges 5 durchsetzt, wobei die Formhälften 10, 11 aus einem induktiv erwärmbaren Material bestehen, so dass die dynamischen Magnetfelder 7 die Formhälften 10, 11 erwärmen. Um sicherzugehen, dass die Spulen 12 durch diesen Aufheizprozess nicht beschädigt werden, besitzen Spulen 12 nicht gezeigte Kühlkanäle, die die der Spulen 12 kühlen. Die dynamischen Magnetfelder 7 durchsetzen in der gezeigten Ausführungsform nur die Formhälften 10, 11. Die Feldstärke der Magnetfelder 7 ist hierbei so gewählt, dass das Kunststoff-Faser-Gemisch 3 innerhalb der Kavität 4 möglichst unbeeinflusst von dem dynamischen Magnetfeld 7 bleibt. Entsprechend sind die innerhalb des Kunststoff-Faser-Gemisches 3 befindlichen Armierungsfasern 1 vorerst chaotisch und undefiniert angeordnet.
3c zeigt das erfindungsgemäße Formwerkzeug 5 während des Schrittes des Ausrichtens. Hierbei werden alle Spulen 12 mit Gleichstrom bestromt, so dass statische Magnetfelder 6 erzeugt werden. Diese statischen Magnetfelder 6 sind in ihrer Magnetfeldstärke derart gewählt, dass sie die Kavität 4 durchsetzen. Da die Spulen 12 entlang der Kavität 4 verlaufen, verlaufen die Feldlinien der Spulen 12 größtenteils parallel zur Kavität 5. Dies hat den Vorteil, dass sich die Armierungsfasern 1 nunmehr entlang der Kontur der Kavität 4 ausrichten.
3d zeigt das erfindungsgemäße Formwerkzeug 5 unmittelbar nach dem Schritt des Ausrichtens. Die Magnetfelder wurden hierbei vollständig abgeschaltet. Die in dem Kunststoff-Faser-Gemisch 3 befindlichen Armierungsfasern 1 wurden durch die Magnetfelder nahezu vollkommen parallel zueinander ausgerichtet. Weiterhin ist die Faserausrichtung über die gesamte Kavität 4 homogen. Nachdem das Kunststoff-Faser-Gemisch 3 auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur abgekühlt ist, kann das fertige faserverstärkte Bauteil dem Formwerkzeug 5 entnommen werden. Um diesen Kühlungsprozess zu beschleunigen, sind im Formwerkzeug 5 nicht gezeigte Kühlkanäle vorgesehen.
Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Armierungsfasern
2: Kunststoff
3: Kunststoff-Faser-Gemisch
4: Kavität
5: Formwerkzeug
6: Statisches Magnetfeld
7: Dynamisches Magnetfeld
8: Nichtmagnetische Fasern
9: Magnetisches Material
10: Erste Formhälfte
11: Zweite Formhälfte
12: Spule
13: Haupterstreckungsrichtung
14: Extruder
15: Extruderschnecke

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten Bauteils mit einer definierten Faserausrichtung umfassend die Schritte: – Bereitstellen von Armierungsfasern (1) mit magnetischen Eigenschaften; – Einbringen der Armierungsfasern (1) in einen Kunststoff (2), so dass ein homogenes Kunststoff-Faser-Gemisch (3) entsteht; – Einfüllen des Kunststoff-Faser-Gemischs (3) mithilfe von Wärme und Druck in eine Kavität (4) eines Formwerkzeuges (5); – Ausrichten der Armierungsfasern (1) innerhalb des Formwerkzeuges (5) durch das Erzeugen eines Magnetfeldes (6), das sich zumindest teilweise in die Kavität (4) hinein erstreckt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Formwerkzeug (5) vor oder während des Schrittes des Einfüllens und/oder Ausrichtens auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer ist als eine Schmelztemperatur des Kunststoffs (2).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Formwerkzeug (5) zumindest anteilig aus induktiv erwärmbarem Material besteht und erwärmt wird, indem ein dynamisches Magnetfeld (7) erzeugt wird, das das Formwerkzeug (5) zumindest teilweise durchsetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausrichten der Armierungsfasern (1) durch eine Feldstärke des Magnetfeldes (6) und/oder eine Erzeugungsdauer des Magnetfeldes (6) in Abhängigkeit von einer Viskosität des Kunststoffs (2) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Armierungsfasern (1) während des Schrittes des Ausrichtens parallel zueinander, insbesondere unidirektional, angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Schrittes des Ausrichtens mehrere Magnetfelder (6) erzeugt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein erster Teil der mehreren Magnetfelder aus statischen Magnetfeldern (6) und ein zweiter Teil aus dynamischen Magnetfeldern (7) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bereitstellens der Armierungsfasern (1), das Ausrüsten von nichtmagnetischen Fasern (8) mit einem magnetischen Material (9) umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das magnetische Material (9) auf Nanopartikeln, insbesondere auf Nano-Ferriten, basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Kunststoff (2) ein chemisches oder physikalisches Treibmittel beigemischt wird und das Kunststoff-Faser-Gemisch (3) nach dem Schritt des Ausrichtens im Formwerkzeug (5) aufschäumt.
Formwerkzeug (5) zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 mit: – einer ersten und einer zweiten Formhälfte (10, 11), die gemeinsam eine Kavität (4) ausbilden, und – zumindest einer elektrisch leitfähigen Spule (12), wobei die Spule (12) in zumindest einer der beiden Formhälften (10, 11) integriert ist und mit der Spule (12) zumindest ein statisches Magnetfeld (6) erzeugbar ist, dessen Feldlinien zumindest teilweise innerhalb der Kavität (4) verlaufen.
Formwerkzeug (5) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spule (12) mit einer Spannungsquelle in elektrischer Verbindung steht, mit der sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung erzeugbar ist.
Formwerkzeug (5) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zumindest eine der Formhälften (10, 11) zumindest teilweise aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Spule eine Mäanderform aufweist.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Spule (12) in einem Abstand von 2 bis 10 Zentimetern zur Kavität (4) angeordnet ist.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei zumindest ein Teil des von der Spule (12) erzeugten Magnetfeldes (6) parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung (13) der Kavität (4) verläuft.
Formwerkzeug (5) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei in der ersten und/oder in der zweiten Formhälfte (10, 11) mehrere Spulen (12) integriert sind, durch die voneinander unabhängige Magnetfelder (6, 7) erzeugbar sind.
Formwerkzeug (5) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mehreren Spulen (12) entlang der Kavität (4) im Formwerkzeug (5) im konstanten Abstand zur Kavität (4) angeordnet sind.