DE102015200875A1 - Process for producing a natural fiber-reinforced plastic component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem zumindest ein Faserhalbzeug (7) aus Natur- und Kunststofffasern (3, 9) bereitgestellt wird, in einem Heizschritt das Faserhalbzeug (7) bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern (9) erhitzt wird, und anschließend in einem Pressform-Schritt das erhitzte Faserhalbzeug (7) zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird, in dem die Naturfasern (3) in eine von den Kunststofffasern (9) gebildete Kunststoffmatrix (5) eingebettet sind. Erfindungsgemäß werden vor der Durchführung des Heizschritts Thermoplast-Hohlkugeln (11), die bei Erhitzung unter Bildung einer Schaumstruktur expandieren, mit einem Trägersubstrat (21) kombiniert. Das Trägersubstrat (21) wird dann mitsamt der Thermoplast-Hohlkugeln (11) im Faserhalbzeug (7) integriert.The invention relates to a method for producing a natural-fiber-reinforced plastic component (1), in which at least one semi-finished fiber product (7) made of natural and synthetic fibers (3, 9) is provided, in a heating step the semifinished fiber product (7) above the melting temperature of the synthetic fibers ( 9) is heated, and then in a press-forming step, the heated semifinished fiber product (7) is formed to the plastic component (1) in which the natural fibers (3) are embedded in a plastic matrix (5) formed by the plastic fibers (9). According to the invention, prior to carrying out the heating step, thermoplastic hollow spheres (11) which expand when heated to form a foam structure are combined with a carrier substrate (21). The carrier substrate (21) is then integrated together with the thermoplastic hollow spheres (11) in the semifinished fiber product (7).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Faserhalbzeug nach dem Patentanspruch 10. The invention relates to a method for producing a natural fiber reinforced plastic component according to the preamble of claim 1 and a semi-finished fiber product according to claim 10.
Naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile werden in gängiger Praxis aus einem aus Natur- und Kunststofffasern bestehenden Faserhalbzeug hergestellt. Das Faserhalbzeug wird in einem zweistufigen Formpressverfahren zunächst in einer Heizpresse aufgeheizt und anschließend in einer unbeheizten Formpresse in die werkzeuggebundene Form zum Kunststoffbauteil gepresst. Durch die Wärmeeinwirkung schmelzen die Kunststofffasern, zum Beispiel aus Polypropylen, unter Bildung einer Kunststoffmatrix auf, in der die Naturfasern zur Verstärkung eingebettet sind. Aus der
Eine Reduzierung des Bauteilgewichtes des naturfaserverstärkten Kunststoffbauteils kann durch die Substitution von Naturfaseranteilen durch Schaumstrukturen erzielt werden. Das Schäummittel kann in einer Nassmethode als Flüssigkeit in die Naturfasermatte, das heißt in das aus Natur- und Kunststofffasern bestehende Faserhalbzeug, eingebracht werden. Ein wesentlicher Nachteil eines solchen Nassverfahrens besteht darin, dass die Flüssigkeit im Anschluss an den Einbringprozess aus der Naturfasermatte herausgetrocknet werden muss. A reduction of the component weight of the natural fiber reinforced plastic component can be achieved by the substitution of natural fiber components by foam structures. The foaming agent can be introduced in a wet method as a liquid into the natural fiber mat, that is to say in the semi-finished fiber product consisting of natural and synthetic fibers. A major disadvantage of such a wet process is that the liquid must be dried out of the natural fiber mat following the introduction process.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein naturfaserverstärktes Kunststoffbauteil bereitzustellen, dass bei im Vergleich zum Stand der Technik gleichbleibender Bauteilsteifigkeit ein reduziertes Bauteilgewicht aufweist und prozesstechnisch einfach herstellbar ist. The object of the invention is to provide a natural-fiber-reinforced plastic component which has a reduced component weight when compared to the prior art constant component stiffness and process technology is easy to produce.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 9 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. The object is solved by the features of
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 werden vor der Durchführung eines Heizschrittes, in dem das Faserhalbzeug bis über die Schmelztemperatur der darin enthaltenen Kunststofffasern erhitzt wird, Thermoplast-Hohlkugeln mit einem darin diffusionsdicht eingekapselten Treibgas integriert. Die Thermoplast-Hohlkugeln können zur Bildung einer Schaumstruktur unter Erhitzung im nachfolgenden Heizschritt expandieren, ohne dass sich das eingekapselte Treibgas verflüchtigen kann. Für ein prozesssicheres Einbringen sowie für ein möglichst homogenes Verteilen der Thermoplast-Hohlkugeln wird ein Trägersubstrat bereitgestellt, das mit den Thermoplast-Hohlkugeln kombiniert wird. Das Trägersubstrat wird dann mitsamt der Thermoplast-Hohlkugeln (nachfolgend auch als Mikrosphären bezeichnet) in das Faserhalbzeug integriert. According to the characterizing part of patent claim 1, prior to carrying out a heating step in which the semifinished fiber product is heated above the melting temperature of the plastic fibers contained therein, thermoplastic hollow spheres are integrated with a propellant gas encapsulated therein in a diffusion-tight manner. The thermoplastic hollow spheres can expand to form a foam structure under heating in the subsequent heating step, without the encapsulated propellant gas can volatilize. For a reliable insertion and as homogeneous as possible distribution of the thermoplastic hollow spheres, a carrier substrate is provided, which is combined with the thermoplastic hollow spheres. The carrier substrate is then integrated together with the thermoplastic hollow spheres (also referred to below as microspheres) into the semi-finished fiber product.
In einer ersten Ausführungsvariante kann das Trägersubstrat eine Trägerflüssigkeit sein, in der unter Bildung einer Dispersion die Thermoplast-Hohlkugeln dispergiert sind. Zur Integration im Faserhalbzeug kann das noch trockene Faserhalbzeug mit der Dispersion durchtränkt werden. Auf diese Weise können die Mikrosphären über die gesamte Faserhalbzeug-Breite in das Faserhalbzeug hineindiffundieren. Anschließend erfolgt ein Trocknungsschritt, in dem die Trägerflüssigkeit aus dem Faserhalbzeug herausgetrocknet wird. In a first embodiment, the carrier substrate may be a carrier liquid in which the thermoplastic hollow spheres are dispersed to form a dispersion. For integration in the semifinished fiber product, the still-dry semi-finished fiber product can be impregnated with the dispersion. In this way, the microspheres can diffuse into the semifinished fiber product over the entire fiber semifinished product width. Subsequently, a drying step takes place, in which the carrier liquid is dried out of the semifinished fiber product.
In dem obigen Verfahren ist eine homogene Verteilung der Mikrosphären aufgrund ihrer relativ geringen Masse nur bedingt möglich. Zudem muss die Trägerflüssigkeit wieder aus dem Faserhalbzeug prozesstechnisch aufwendig herausgetrocknet werden. Vor diesem Hintergrund kann in einer zweiten Ausführungsvariante das Trägersubstrat eine Trägerfaser aus Kunststoff sein, zum Beispiel aus einem niedrig schmelzenden PLE (PLE = Biokunststoff), in das die Thermoplast-Hohlkugeln eingebettet sind. Durch die Einbettung in der Trägerfaser können die Mikrosphären in homogener Verteilung gleichmäßig verteilt in die Naturfasermatte eingebracht werden und befinden sich daher in allen Bereichen des Mattenquerschnitts. Zudem bleibt die Naturfasermatte trocken und kann im Anschluss daran direkt weiter verarbeitet werden, ohne zwischengeschaltetem Trocknungsschritt. In the above method, a homogeneous distribution of the microspheres due to their relatively low mass is only partially possible. In addition, the carrier liquid must again be dried out of the semi-finished fiber process technically consuming. Against this background, in a second embodiment variant, the carrier substrate may be a carrier fiber made of plastic, for example a low-melting PLE (PLE = bioplastic), in which the thermoplastic hollow spheres are embedded. By embedding in the carrier fiber, the microspheres can be uniformly distributed distributed in the natural fiber mat in a homogeneous distribution and are therefore located in all areas of the mat cross-section. In addition, the natural fiber mat remains dry and can then be further processed directly, without intervening drying step.
Die oben erwähnte Trägerfaser mit den darin eingebetteten Thermoplast-Hohlkugeln kann in einem kontinuierlichen Prozess als eine Endlosfaser hergestellt werden. Die Endlosfaser kann im Anschluss daran zu Endlosfasersegmenten mit vorgegebener Länge zugeschnitten werden. Die so gebildeten Endlosfasersegmente können in einem Fasermischprozess in homogener Verteilung in die Naturfasermatte eingebracht werden, und zwar in allen Bereichen des Mattenquerschnitts. Anschließend wird das Fasergemisch auf ein Förderband abgelegt und mittels der Vernadelungstechnik miteinander zu einem Vlies verbunden. The above-mentioned carrier fiber having the thermoplastic hollow balls embedded therein can be produced in a continuous process as an endless fiber. The continuous fiber can then be cut into continuous length fiber segments of predetermined length. The continuous fiber segments thus formed can be introduced into the natural fiber mat in a fiber mixing process in a homogeneous distribution, in all areas of the mat cross section. Subsequently, the fiber mixture is deposited on a conveyor belt and connected to one another by means of the needling technique to form a nonwoven.
Die Trägerfaser bzw. der Faserstrang mit den darin integrierten Mikrosphären kann beispielhaft in einem Schmelzspin- oder Extrusionsverfahren hergestellt werden. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt keine Verunreinigung der Misch- und Transportanlagen beim Hersteller der Naturfasermatten durch ungebundene Mikrosphärenpartikel. The carrier fiber or the fiber strand with the microspheres integrated therein can be produced by way of example in a melt spinning or extrusion process. In this embodiment, no contamination of the mixing and transport systems takes place at the manufacturer of natural fiber mats by unbound microspheres particles.
In der obigen Herstellungsvariante können die Mikrosphären beim Schmelzspinverfahren zu einem Verstopfen der Düsen führen. Vor diesem Hintergrund kann in einer dritten Ausführungsvariante das Trägersubstrat eine Trägerfolie aus Kunststoff sein, wobei die Mikrosphären in dem Material der Folie eingebettet sind. Die Mikrosphären werden bei einer solchen Herstellungsvariante beispielhaft in das aufgeschmolzene Grundmaterial der Folie gegeben. Die Schmelze wird dann durch einen Kalander zu einer dünnen Folie ausgewalzt. Alternativ dazu kann die Folie in beliebigen Folienherstellverfahren erzeugt werden, z.B. auch durch eine Extrusion, bei der ein Folienstrang durch eine Breitschlitzdüse erzeugt wird. Anschließend werden aus der Folie einzelne Folienstränge vorgegebener Schnittlänge durch ein geeignetes Verfahren herausgetrennt. Die so hergestellten Folienstränge können in homogener Verteilung in die Naturfasermatte eingebracht werden, und zwar in allen Bereichen des Mattenquerschnitts, und anschließend zum Beispiel mittels der Vernadelungstechnik fest mit dem Faserhalbzeug (das heißt mit der Naturfasermatte) verwoben werden. In the above manufacturing variant, the microspheres in the melt spinning process can lead to clogging of the nozzles. Before this Background may in a third embodiment variant, the carrier substrate be a carrier film made of plastic, wherein the microspheres are embedded in the material of the film. The microspheres are given by way of example in such a preparation variant in the molten base material of the film. The melt is then rolled through a calender to a thin film. Alternatively, the film can be produced in any Folienherstellverfahren, for example, by an extrusion in which a film strand is produced by a slot die. Subsequently, individual film strands of predetermined cutting length are cut out of the film by a suitable method. The film strands produced in this way can be introduced into the natural fiber mat in a homogeneous distribution, specifically in all areas of the mat cross section, and then interwoven firmly, for example by means of the needling technique, with the semi-finished fiber product (that is, with the natural fiber mat).
Wie weiter oben erwähnt, kann das Trägersubstrat eine Monofaser sein. Anstelle dessen kann das Trägersubstrat auch ein verwobener Faden bzw. ein Multifilament oder ein Faserbündel sein. Bei der Verwendung eines Multifilaments als Trägersubstrat können die Mikrosphären gegebenenfalls zwischen den einzelnen Fasern im Faserbündel angeordnet werden, das heißt nicht unmittelbar im Fasermaterial selbst. In diesem Fall besteht jedoch die Gefahr, dass sich die Mikrosphären durch mechanische Belastungen im Transport von den Fasern im Faserbündel lösen. As mentioned above, the carrier substrate may be a monofilament. Instead, the carrier substrate may also be an interwoven thread or a multifilament or a fiber bundle. When using a multifilament as the carrier substrate, the microspheres can optionally be arranged between the individual fibers in the fiber bundle, that is not directly in the fiber material itself. In this case, however, there is a risk that the microspheres due to mechanical stresses in the transport of the fibers in the fiber bundle to solve.
Mit Hilfe der obigen Ausführungsvarianten können die Mikrosphären weitgehend homogen in das Faserhalbzeug (Naturfasermatte) eingebracht werden. With the aid of the above variants, the microspheres can be largely homogeneously introduced into the semi-finished fiber product (natural fiber mat).
Bei dem Herstellungsverfahren wird das Faserhalbzeug mit den darin integrierten Thermoplast-Hohlkugeln in eine Heizpresse eingelegt und auf die Verarbeitungstemperatur bei gleichzeitigem Verdichten des Faserhalbzeuges hochgeheizt. Beim Öffnungsvorgang der Heizpresse entspannt sich das Faserhalbzeug und schäumt auf, das heißt die Thermoplast-Hohlkugeln expandieren. Im weiteren Arbeitsverlauf wird das erwärmte, in der Heizpresse vorverdichtete Faserhalbzeug in die Formpresse eingelegt und das Kunststoffbauteil bei gleichzeitiger Abkühlung ausgeformt. Der Pressvorgang ist so auszulegen, dass die durch die Thermoplast-Halbkugeln gebildete Schaumstruktur nicht beschädigt wird. In the manufacturing process, the semi-finished fiber product is inserted with the integrated therein thermoplastic hollow spheres in a hot press and heated to the processing temperature at the same time compressing the semifinished fiber product. When opening the hot press, the semi-finished fiber relaxes and foams, that is, expand the thermoplastic hollow spheres. In the further course of the work, the heated semifinished product, which has been pre-compressed in the heating press, is placed in the molding press and the plastic component is formed while cooling down. The pressing process is to be designed so that the foam structure formed by the thermoplastic hemispheres is not damaged.
Die Mikrosphären bilden zusammen mit dem aufgeschmolzenen Thermoplasten die Matrix, in die die Naturfasern eingebettet sind. Die Schaumstruktur besteht nicht nur aus Mikrosphären, sondern ist ein Gemisch aus dem Thermoplast und den Mikrosphären. Beim Aufschäumen sucht sich die Struktur den geringsten Widerstand und gelangt so bevorzugt in die noch freien Bereiche. Die Temperaturführung beim Heizschritt und/oder beim Pressformschritt ist dabei so auszulegen, dass das Aufschmelzen der Kunststofffasern sowie der Thermoplast-Hohlkugeln unter Verpressen bei einem Temperaturniveau erfolgt, das die Gasdiffusionsdichtheit der Thermoplast-Hohlkugeln nicht beeinträchtigt. Nach dem Aufschmelzvorgang und der Formgebung kann das Pressformwerkzeug unter Abkühlung auf das gewünschte Endmaß bei gleichzeitiger Schaumbildung (Ausdehnung der gekapselten Gase im Inneren der Thermoplast-Hohlkugeln) öffnen. The microspheres together with the molten thermoplastic form the matrix in which the natural fibers are embedded. The foam structure not only consists of microspheres but is a mixture of the thermoplastic and the microspheres. When foaming, the structure seeks the least resistance and thus preferably reaches the still free areas. The temperature control during the heating step and / or during the compression molding step is to be interpreted as meaning that the melting of the plastic fibers and of the thermoplastic hollow spheres takes place under compression at a temperature level which does not impair the gas diffusion tightness of the thermoplastic hollow spheres. After the melting process and the shaping, the press mold can open while cooling to the desired final dimension with simultaneous foam formation (expansion of the encapsulated gases in the interior of the thermoplastic hollow spheres).
Der Freiraum für die Schaumbildung, das heißt der Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln, wird durch die Hohlräume zwischen den Natur- und Kunststofffasern im Faserhalbzeug bereitgestellt. Im Falle vollständig durchgeschmolzener Kunststofffasern könnte gegebenenfalls der Expansionsfreiraum durch definierte geringe Formöffnung des Pressformwerkzeugs bereitgestellt werden. The space for foam formation, ie the expansion of the thermoplastic hollow spheres, is provided by the cavities between the natural and synthetic fibers in the semifinished fiber product. In the case of completely molten plastic fibers, the expansion clearance could optionally be provided by a defined small mold opening of the press tool.
Mit Hilfe der Thermoplast-Hohlkugeln (sogenannte Mikrosphären) ist ein fertigungstechnisch einfaches Aufschäumen von Pressformbauteilen ermöglicht. Die Thermoplast-Hohlkugeln können sich bei Hitzeeinwirkung um das Vielfache ihres Volumens ausdehnen. Beispielhaft können die Thermoplast-Kugeln vor dem Heizschritt mikroskopisch klein in Pulverform vorliegen, und zwar mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 20 µm. Nach dem Heizschritt können die expandierten Thermoplast-Hohlkugeln einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 50 µm aufweisen. Die Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln erfolgt während des Heizschrittes, bei dem das Faserhalbzeug bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern erhitzt wird. In diesem Fall können sowohl die Außenseiten der Thermoplast-Hohlkugeln als auch die Kunststofffasern des Faserhalbzeugs plastifizieren, das heißt thermoplastisch aufweichen, und sich stoffschlüssig miteinander verbinden. Anschließend wird das erhitzte Faserhalbzeug einem Pressformprozess zugeführt, in dem die endgültige Formgebung des Kunststoffbauteiles erfolgt. With the help of thermoplastic hollow spheres (so-called microspheres) a production-technically simple foaming of mold components is possible. The thermoplastic hollow spheres can expand by many times their volume when exposed to heat. By way of example, the thermoplastic spheres may be present in a microscopically small powdered form, with a diameter in the range of 10 to 20 μm, before the heating step. After the heating step, the expanded thermoplastic hollow spheres may have a diameter in the range of 30 to 50 μm. The expansion of the thermoplastic hollow spheres takes place during the heating step, in which the semi-finished fiber product is heated to above the melting temperature of the plastic fibers. In this case, both the outer sides of the thermoplastic hollow spheres and the plastic fibers of the semifinished fiber product can plasticize, that is to say melt thermoplastic, and bond to one another in a material-locking manner. Subsequently, the heated semi-finished fiber product is fed to a compression molding process in which the final shaping of the plastic component takes place.
In den Mikrosphären befindet sich ein Alkan (Kohlenwasserstoff, z.B. Butan) mit einer niedrigen Siedetemperatur. Beim Erwärmen wechselt der Aggregatszustand von flüssig in gasförmig. In the microspheres is an alkane (hydrocarbon, e.g., butane) having a low boiling temperature. When heated, the state of the aggregate changes from liquid to gaseous.
Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Thermoplast-Hohlkugeln wird speziell eine Gewichtsreduzierung sowie eine Erhöhung der Biegesteifigkeit des Kunststoffbauteils erzielt. Bei Aufbau einer Mehrschichtstruktur, bestehend aus den oben erwähnten Deck- und Kernschichten, ergibt sich die Möglichkeit, dass der in der Kernschicht enthaltene Mikrosphärenschaum (das heißt die aus den Thermoplast-Hohlkugeln gebildete Schaumstruktur) in Freiräume der Deckschichten eindringt. By using the thermoplastic hollow spheres according to the invention, a reduction in weight as well as an increase in the bending stiffness of the plastic component are achieved in particular. When constructing a multilayer structure consisting of the above-mentioned cover and core layers, there is the possibility that the microsphere foam contained in the core layer (that is, the thermoplastic Hollow balls formed foam structure) penetrates into free spaces of the outer layers.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen. The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen: Show it:
Die Figuren sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau einer Bauteilverbindung wiedergeben. So ist in der
In der
Die Mikrosphären
Die Thermoplast-Hohlkugeln
Anhand der
In der
Anhand der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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