DE102015203586A1

DE102015203586A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, Faser-Kunststoff-Verbund sowie Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds

Info

Publication number: DE102015203586A1
Application number: DE102015203586.7A
Authority: DE
Inventors: Constanze Böhme; Dietmar Dieterle; Frank Helbig; Oliver Maier; Leander Oremek; Michael Reinhardt
Original assignee: M & A - Dieterle Maschinen- und Apparatebau GmbH; M & A - Dieterle Maschinen- und Appbau GmbH
Current assignee: M & A - Dieterle Maschinen- und Apparatebau GmbH; M & A - Dieterle Maschinen- und Appbau GmbH
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, vorzugsweise Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugs, welches die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving, – Spreizen des Verstärkungsfaserrovings und – Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings auf eine auf einen Wickelkern aufgebrachte Kunststoffmatrix. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Faser-Kunststoff-Verbund, ein Enderzeugnis, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung des Faser-Kunststoff-Verbunds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, einen Faser-Kunststoff-Verbund, ein Enderzeugnis, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds sowie Verwendungen des Faser-Kunststoff-Verbunds.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gelten mittlerweile als etablierte Konstruktionswerkstoffe in zahlreichen anwendungspraktischen Bereichen. Abhängig von den Fasern und Kunststoffen lassen sich Verbundwerkstoffe mit variablen, produkt- und anwendungsangepassten Eigenschaftsprofilen bereitstellen.
Es ist bekannt, textile biegeschlaffe Halbzeuge mit einem thermoplastischen Matrixmaterial zu Faser-Kunststoff-Verbunden zu kombinieren. Das thermoplastische Matrixmaterial kann hierbei in Form von Granulaten, Pulvern oder Folien eingesetzt werden. Als textile Halbzeuge werden typischerweise Gewebe verwendet. Gewebe haben den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu alternativen Produkten ohne zusätzliche Hilfskomponenten auskommen. Die herstellungsbedingte biaxiale Struktur von Geweben sorgt allerdings für eine Verringerung der Flexibilität bei der Konstruktion eines Lagenaufbaus und schränkt mithin die Kombinationsmöglichkeiten der Lagen für eine optimale Ausrichtung der Fasern in Belastungsrichtung stark ein. Lediglich durch die Verwendung feinster Kettfäden kann eine annähernd unidirektionale Ausrichtung erreicht werden. Die Verkreuzung von Schuss- und Kettfäden sorgt indes in jedem Fall für eine ondulierte Lage der Faserbänder, was zu einem Festigkeitsverlust im fertigen Faser-Kunststoff-Verbund führt (Cherif, Ch.: Textile Werkstoffe für den Leichtbau: Techniken-Verfahren-Materialien-Eigenschaften; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2011).
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden besteht darin, in einem zweistufigen Prozess biegeschlaffe textile Halbzeuge mit bi- oder multidirektionaler Verstärkungsrichtung mit Spinnvliesstoffen als thermoplastische Matrix zu kombinieren. Durch den mehrstufigen Aufbau werden jedoch nur Einzelschichtdicken von bis zu 0.8 mm erreicht, wodurch sich diese Herstellungstechnik nicht für eine Weiterverarbeitung zu Dünnschichtlaminaten eignet (Högemann, W.: Reifenhäuser Reicofil entwickelt eine rollbare Alternative zum Organoblech, www.reifenhauser.com/de/news/reifenhaeuser_reicofil_entwickelt_eine_rollbare_alternative_zu m_organoblech, Pressemitteilung vom 02.07.2013)
Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuge (FKV-Halbzeuge) in Form von folienförmigen unidirektionalen Bändern (UD-Bändern) werden aus paralleler Verarbeitung mehrerer Rovings zu einem Band mit homogener Filamentverteilung verarbeitet (Firmenpräsentation TeXtreme^®: „UD Tapes“. http://www.textreme.com/b2b/products/ud-tapes; Kausch, M.; Kroll, L.; Heinrich, H-J.: Thermoplastische Prepregs für den Hochleistungsbereich. Tagungsband der 12. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung 2009, S. 250–256; Vettermann, F.; Wegner, A.: Faserspreizanlage zur Herstellung trockener UD-Materialien. Tagungsband der 13. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung 2012, S. 273–256). Typische textile Schwankungen in der Zuführung, Ausbreitung und Fadenanordnung der parallelen Rovings können hierbei zu Unregelmäßigkeiten bei der Ablage führen. Um eine lückenlose Aneinanderreihung jedes Rovings zu gewährleisten, müssen enorme Anforderungen an die Präzision der Verarbeitungstechnik, wie beispielsweise Fadenführung und Ausbreitungsvorrichtung, erfüllt werden.
Textilbasierte, unidirektional verstärkte Verbundhalbzeuge werden ebenfalls durch parallele Verarbeitung mehrerer Rovings zu einer Fläche verarbeitet. Zusätzlich wird hierbei ein Nähfaden als Bindemittel benötigt. Die damit verbundenen Anforderungen an Zuführ- und Legetechnik sind vergleichbar mit den Aufwendungen bei der Herstellung der oben erwähnten UD-Bänder.
Aufgabe und Lösung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, insbesondere in Form eines Halbzeugs, bereitzustellen, welches die eingangs genannten Nachteile umgeht. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds bereitzustellen, welcher sich zu Dünnschichtlaminaten weiterverarbeiten lässt. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Faser-Kunststoff-Verbund, ein Enderzeugnis sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, einen Faser-Kunststoff-Verbund mit den Merkmalen des Anspruchs 16, einen Faser-Kunststoff-Verbund mit den Merkmalen des Anspruchs 17, ein Enderzeugnis mit den Merkmalen des Anspruchs 18, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds (FKV).
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Bereitstellen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving,
– Spreizen des Verstärkungsfaserrovings und
– Wickeln, insbesondere Spiralwickeln, des gespreizten Verstärkungsfaserrovings auf eine Kunststoffmatrix, welche auf einen Wickelkern aufgebracht, insbesondere gewickelt, ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber gattungsgemäßen Verfahren dadurch aus, dass nur ein Verstärkungsfaserroving zur Herstellung des Faser-Kunststoff-Verbunds verwendet wird. Hierdurch lassen sich mit besonderem Vorteil die Risiken sowie der technische Aufwand, welche mit der Ausbreitung, Zuführung und Ablage von mehreren Rovings auf einen Wickelkern bzw. auf eine Matrix, welche auf einen Wickelkern abgelegt ist, signifikant reduzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt insbesondere den Vorteil, dass es eine größenvariable Herstellung von insbesondere großflächigen Faser-Kunststoff-Verbunden in nur einem Verarbeitungsschritt erlaubt. Dies wiederum reduziert den Aufwand bei der Weiterverarbeitung zu Enderzeugnissen, wie beispielsweise Dünnschichtlaminaten.
Der Begriff „Faser-Kunststoff-Verbund“ im Sinne der vorliegenden Erfindung definiert in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis einen Werkstoff, welcher sogenannte Verstärkungsfasern und eine Kunststoffmatrix aufweist. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Kunststoffmatrix gebunden sind. Die Fasern leiten die Kräfte. Durch ihre im Vergleich zur Kunststoffmatrix hohe Steifigkeit ziehen sie die Last auf sich. Die Kunststoffmatrix bettet die Fasern. Betten meint in diesem Zusammenhang, dass die Kunststoffmatrix die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Kunststoffmatrix die Fasern, beispielsweise gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt in der Regel über eine Adhäsion zwischen den Fasern und der Kunststoffmatrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Die Kunststoffmatrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.
Der Begriff „Verstärkungsfaser“ definiert im Sinne der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis eine Faser, welche in Längsrichtung einen höheren Elastizitätsmodul sowie eine größere Zugfestigkeit und üblicherweise zudem eine niedrigere Bruchdehnung als die Kunststoffmatrix besitzt.
Der Begriff „Verstärkungsfaserroving“ definiert im Sinne der vorliegenden Erfindung einen endlosen Verstärkungsfaserstrang, d.h. einen Strang, welcher Verstärkungsfasern in Form von gebündelten Endlosfasern (Filamenten) aufweist oder enthält. Bevorzugt besitzen die Verstärkungsfasern eine Länge > 50 mm.
Der im Zusammenhang des Verstärkungsfaserrovings verwendete Begriff „Spreizen“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die Anordnung, insbesondere die Anzahl, der Fasern/Filamente des Verstärkungsfaserrovings in Richtung quer zur Förderrichtung, insbesondere in der Breitenausdehnung des Verstärkungsfaserrovings, vergrößert/erhöht wird. Mit anderen Worten bedeutet Spreizen im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass ein Verstärkungsfaserroving auf einen Querschnitt gebracht wird, welcher in Breite größer und in Dicke kleiner ist als der ungespreizte Verstärkungsfaserroving. Beispielsweise wird aus einem Verstärkungsfaserroving mit einem zylinderförmigen Querschnitt beim Spreizen ein Verstärkungsfaserroving mit einem bandförmigen Querschnitt. Die Verbreiterung wird dadurch erreicht, dass sich die Fasern/Filamente des Rovings in Breitenrichtung des Rovings verteilen, wobei das Resultat im Idealfall ist, dass eine Faserschicht (Filamentschicht) erhalten wird, also eine Faserschicht, in welcher alle Fasern vorzugsweise ausschließlich parallel nebeneinander vorliegen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund um ein Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug (FKV-Halbzeug), welches insbesondere zur Herstellung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Laminaten (FKV-Laminaten), bevorzugt thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Dünnschichtlaminaten (FKV-Dünnschichtlaminaten), verwendbar ist.
In einer unter Verstärkungsgesichtspunkten vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Verstärkungsfaserroving um einen nicht thermoplastischen Verstärkungsfaserroving, d.h. um einen Roving, welcher nicht thermoplastische Verstärkungsfasern aufweist oder aus nicht thermoplastischen Verstärkungsfasern besteht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei dem Verstärkungsfaserroving um einen thermoplastischen Verstärkungsfaserroving, d.h. um einen Roving, welcher thermoplastische Verstärkungsfasern aufweist oder aus thermoplastischen Verstärkungsfasern besteht. Die Verwendung eines derartigen Verstärkungsfaserrovings ermöglicht mit besonderem Vorteil ein binde- und/oder lösungsmittelfreies Verbinden (Fügen) von gespreiztem Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix. Insbesondere kann der Verstärkungsfaserroving bei dieser Ausführungsform die Funktion einer Kleberkomponente übernehmen.
Um die Verstärkungsfunktion des Faserrovings nicht zu beeinträchtigen, kann es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass es sich bei dem Verstärkungsfaserroving um einen thermoplastischen Verstärkungsfaserroving handelt, welcher einen höheren Schmelzpunkt besitzt als die Kunststoffmatrix.
Erfindungsgemäß kann es weiterhin möglich sein, dass der Verstärkungsfaserroving thermoplastische Verstärkungsfasern, welche einen höheren Schmelzpunkt besitzen als die Kunststoffmatrix, sowie nicht thermoplastischen Verstärkungsfasern aufweist oder aus solchen Fasern besteht.
Die in den zwei vorherigen Absätzen beschriebenen Ausführungsformen haben insbesondere den Vorteil, dass die Verstärkungsfunktion der Fasern nicht beeinträchtigt wird, wenn zum Zwecke einer Verbindung von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix Energie, vorzugsweise Wärmeenergie, eingetragen wird.
Der Verstärkungsfaserroving weist in einer weiteren Ausführungsform Verstärkungsfasern auf oder besteht aus Verstärkungsfasern, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Fasern, Metallfasern, organischen Fasern wie Polymerfasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Der Verstärkungsfaserroving ist in einer weitergehenden Ausführungsform ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfaserroving, Mineralfaserroving, Basaltfaserroving, Borfaserroving, Kieselsäurefaserroving, Keramikfaserroving, Stahlfaserroving, Kohlenstofffaserroving, Aramidfaserroving, Polyesterfaserroving, Polyamidfaserroving wie Nylonfaserroving, Polyethylenfaserroving, Plexiglasfaserroving, Holzfaserroving, Flachsfaserroving, Hanffaserroving, Jutefaserroving, Kenaffaserroving, Ramiefaserroving, Sisalfaserroving und Kombinationen davon. Mit anderen Worten weist der Verstärkungsfaserroving in einer weitergehenden Ausführungsform Verstärkungsfasern auf oder besteht aus Verstärkungsfasern, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Mineralfasern, Basaltfasern, Borfasern, Kieselsäurefasern, Keramikfasern, Stahlfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern wie Nylonfasern, Polyethylenfasern, Plexiglasfasern, Holzfasern, Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Kenaffasern, Ramiefasern, Sisalfasern und Kombinationen davon.
Der Verstärkungsfaserroving weist in einer weiteren Ausführungsform eine Feinheit ≤ 4800 tex, insbesondere von 68 tex bis 2400 tex, bevorzugt 200 tex bis 1200 tex, auf. Unter dem Begriff „Feinheit“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein längenbezogenes Gewicht des Verstärkungsfaserrovings verstanden werden. Die Einheit 1 tex bedeutet ein Gewicht von 1 Gramm pro 1000 Meter Rovinglänge.
In einer bevorzugten Ausführungsform erhält der Verstärkungsfaserroving beim Spreizen eine bandförmige Struktur. Vorzugsweise liegt der Verstärkungsfaserroving nach dem Spreizen vorzugsweise in Form eines Faserbands, d.h. in Form eines aus vorzugsweise parallel nebeneinander angeordneten Filamenten bzw. Endlosfasern bestehenden Bands, vor.
Vorzugsweise wird bei dem Spreizen die Breite des Verstärkungsfaserrovings um das 2-fache bis 20-fache, insbesondere 2,5-fache bis 10-fache, bevorzugt 4-fache bis 8-fache, besonders bevorzugt 3-fache bis 6-fache, gegenüber dem ungespreizten Verstärkungsfaserroving erhöht.
Der Verstärkungsfaserroving, insbesondere der gespreizte Verstärkungsfaserroving, wird in einer weiteren Ausführungsform mit einer Geschwindigkeit von 0.3 m/min bis 30 m/min, insbesondere 1 m/min bis 15 m/min, bevorzugt 3 m/min bis 9 m/min, verarbeitet.
Grundsätzlich kann es sich bei der Kunststoffmatrix um eine nicht thermoplastische Kunststoffmatrix handeln.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Kunststoffmatrix jedoch um eine thermoplastische Kunststoffmatrix. Durch die Verwendung einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ist mit besonderem Vorteil ein binde- und/oder lösungsmittelfreies Verbinden (Fügen) von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix möglich. Mit besonderem Vorteil kann die Kunststoffmatrix bei dieser Ausführungsform die Funktion einer Kleberkomponente übernehmen.
Im Falle eines thermoplastischen Verstärkungsfaserrovings besitzt die thermoplastische Kunststoffmatrix vorzugsweise einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Verstärkungsfaserroving. In dieser Ausführungsform übernimmt somit die Kunststoffmatrix die Funktion einer Kleberkomponente.
Bevorzugt weist die Kunststoffmatrix ein thermoplastisches Material auf oder besteht aus einem thermoplastischen Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Kombinationen davon.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Verstärkungsfaserroving um einen nicht thermoplastischen Verstärkungsfaserroving oder um einen Verstärkungsfaserroving mit einem höheren Schmelzpunkt als die Kunststoffmatrix und bei der Kunststoffmatrix um eine thermoplastische Kunststoffmatrix.
Die Kunststoffmatrix ist in einer weiteren Ausführungsform offenporig ausgebildet. Vorzugsweise besitzt die Kunststoffmatrix Poren im Mikrometerbereich. Eine offenporige Ausbildung der Kunststoffmatrix bietet den Vorteil einer wesentlich besseren Entgasungsmöglichkeit bei einer Weiterverarbeitung des herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbunds, insbesondere bei einer Weiterverarbeitung zu ein- oder mehrlagigen FKV-Dünnschichtlaminaten. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten thermoplastischen Folien stellt eine offenporige und damit diffusionsoffene Ausbildung der Kunststoffmatrix keine Barriere für das Entweichen der allgemein in Faser-Kunststoff-Verbunden enthaltenen Luftgehalte dar, wodurch Lufteinschlüsse vermieden und homogene Faser-Kunststoff-Verbunde hergestellt werden können. Die mit einer offenporigen Ausbildung der Kunststoffmatrix einhergehende Oberflächenvergrößerung hat zudem den Vorteil, dass sich die Oberfläche im Falle einer thermoplastischen Kunststoffmatrix schneller aufschmelzen lässt, wodurch sich die Prozesszeiten für die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Verstärkungsfaserroving und der Kunststoffmatrix deutlich verringern lassen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kunststoffmatrix ein Flächengewicht von 3 g/m² bis 900 g/m², insbesondere 10 g/m² bis 500 g/m², bevorzugt 20 g/m² bis 150 g/m², auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kunststoffmatrix eine textile Struktur auf oder liegt in Form einer textilen Struktur vor.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere bevorzugt, wenn es sich bei der Kunststoffmatrix um eine textile Kunststoffmatrix handelt, d.h. die Kunststoffmatrix in Form einer textilen Struktur vorliegt.
Die in den beiden vorherigen Absätzen genannte textile Struktur ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vliesstoff, Filz, Vlies, Gelege, Gestrick, Gewirk, Geflecht und Gewebe.
Bevorzugt weist die Kunststoffmatrix einen Vliesstoff auf oder liegt in Form eines Vliesstoffes vor.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Kunststoffmatrix um eine thermoplastische und vliesstoffförmige Kunststoffmatrix. Beispielsweise kann es sich bei der Kunststoffmatrix um einen Vliesstoff aus Polyamid oder Polypropylen handeln.
Der Wickelkern kann grundsätzlich jede beliebige prismatische Form besitzen, welche durch die Fixierung einer Drehachse am Wickelkern in eine für den Wickelprozess erforderliche rotierende Bewegung versetzt werden kann.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Wickelkern um einen rotationssymmetrischen oder um einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wickelkern.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Wickelkern um einen zylinderförmigen oder im Wesentlichen zylinderförmigen, insbesondere kreiszylinderförmigen oder im Wesentlichen kreiszylinderförmigen, Wickelkern.
Bei dem Wickelkern kann es sich weiterhin um einen wiederverwendbaren Wickelkern handeln. Beispielsweise kann der Wickelkern derart geteilt sein, dass er nach Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds entformt werden kann.
Alternativ kann es sich bei dem Wickelkern um einen sogenannten verlorenen Wickelkern handeln. Ein derartiger Kern kann entweder aus löslichen oder auswaschbaren Kernmaterialien bestehen.
Alternativ kann der Wickelkern aus einem Wickelmaterial mit einer geringen Rohdichte bestehen, beispielsweise aus einem Schaumstoff. Ein derartiger Wickelkern hat den Vorteil, dass er in einem hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund verbleiben kann.
Die Kunststoffmatrix ist in einer bevorzugten Ausführungsform bahnförmig auf den Wickelkern aufgebracht, insbesondere gewickelt.
Grundsätzlich kann die Kunststoffmatrix mehrlagig auf den Wickelkern aufgebracht, insbesondere gewickelt, sein. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es jedoch, wenn die Kunststoffmatrix einlagig, d.h. lediglich in einer Lage, auf den Wickelkern aufgebracht, insbesondere gewickelt, ist. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine Weiterverarbeitung des Faser-Kunststoff-Verbunds zu Dünnschichtlaminaten mit möglichst geringer Dicke jeder einzelnen Laminatschicht.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform wir der gespreizte Verstärkungsfaserroving vor dem Wickeln an dem Wickelkern befestigt.
Der gespreizte Verstärkungsfaserroving wird gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels einer in Längsrichtung des Wickelkerns verfahrbaren Ablegeeinrichtung auf die Kunststoffmatrix gewickelt.
In einer weiteren Ausführungsform werden bei dem Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings sequenziell auf die Kunststoffmatrix abgelegt.
Bevorzugt werden bei dem Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings parallel nebeneinander, vorzugsweise Stoß an Stoß, auf die Kunststoffmatrix abgelegt.
Grundsätzlich kann der gespreizte Verstärkungsfaserroving mehrlagig auf die Kunststoffmatrix gewickelt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es jedoch, wenn der Verstärkungsfaserroving nur einlagig, d.h. nur in einer Lage, auf die Kunststoffmatrix gewickelt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf eine Weiterverarbeitung des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlichen Faser-Kunststoff-Verbunds zu Dünnschichtlaminaten mit möglichst niedrigen Dicken.
In einer weiteren Ausführungsform werden nach dem Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix vorzugsweise stoffschlüssig unter Erhalt eines gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds miteinander verbunden.
Das Verbinden des gespreizten Verstärkungsfaserrovings und der Kunststoffmatrix kann dabei insbesondere ohne die Verwendung eines Binde- und/oder Lösungsmittels durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann das Verbinden des gespreizten Verstärkungsfaserrovings und der Kunststoffmatrix nur lokal, insbesondere nur punktuell, durchgeführt werden. Ein nur lokales, insbesondere nur punktuelles, Verbinden von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix hat den Vorteil, dass ein hierfür erforderlicher Energieeintrag und eine damit einhergehende Materialbeanspruchung von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix minimal gehalten werden können. Eine nennenswerte Beeinträchtigung von deren werkstoffspezifischem Leistungspotenzial kann mithin vermieden werden.
In einer alternativen Ausführungsform werden der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix vollflächig miteinander verbunden.
In einer weitergehenden Ausführungsform werden zum Erhalt des gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix thermisch, d.h. unter Wärmezufuhr, miteinander verbunden. Hierzu können grundsätzlich der Verstärkungsfaserroving und/oder die Kunststoffmatrix, bevorzugt der Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix, erwärmt werden. Das Erwärmen kann beispielsweise mittels einer in Querrichtung zum Wickelkern verfahrbaren Heizeinrichtung, insbesondere Heizhaube, vorgenommen werden. Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise eine Wärmeabstrahlfläche auf, deren Länge wenigstens der Länge des Wickelkerns entspricht. Bevorzugt wird der Wickelkern während des Erwärmens wenigstens einmal um 360 Grad um die eigene Längsachse gedreht. Auf diese Weise kann ein vollständiges Erwärmen des Verstärkungsfaserrovings sowie der Kunststoffmatrix gewährleistet werden.
In einer alternativen Ausführungsform werden zum Erhalt des gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix thermisch miteinander verbunden, wobei ein Erwärmen des Verstärkungsfaserrovings (im gespreizten oder nicht gespreizten Zustand) und/oder der Kunststoffmatrix vor dem Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings vorgenommen werden.
Ein thermisches Verbinden des gespreizten Verstärkungsfaserrovings und der Kunststoffmatrix kann grundsätzlich auf einem Aufschmelzen des Verstärkungsfaserrovings und/oder der Kunststoffmatrix, vorzugsweise nur auf einem Aufschmelzen der Kunststoffmatrix, und einem anschließenden Verfestigen des Verstärkungsfaserrovings und/oder der Kunststoffmatrix, vorzugsweise auf einem anschließenden Verfestigen nur der Kunststoffmatrix, beruhen.
Im Falle einer textilen Kunststoffmatrix bleibt deren textile Struktur beim Verbinden von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix bevorzugt zumindest teilweise, insbesondere weitgehend, erhalten, so dass der erhaltene Faser-Kunststoff-Verbund beispielsweise mittels Nadelgreifern aufgenommen und beim Transport sicher gehalten werden kann. Im Falle einer punktuell gezielt intensivierten Einwirkung von Wärme auf eine thermoplastische Kunststoffmatrix wird eine lokale, insbesondere punktuelle, Verbindung zwischen den Verbundkomponenten (Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix) geschaffen, welche die Aufnahme an genau diesen Verbindungspunkten mittels Vakuumgreifern und damit den sicheren Transport der Faser-Kunststoffverbunde gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform wird der gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund von dem Wickelkern entfernt. Im Falle eines mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildeten Wickelkerns kann dies dadurch geschehen, dass der Wickelkern nach Erhalt des gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds entformt wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Wickelkern nach Erhalt des gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds durch Auswaschen, insbesondere Herauslösen, aus dem gewickelten Faser-Kunststoff-Verbund entfernt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund von dem Wickelkern abgezogen.
Bei dem in den vorangegangenen Ausführungsformen erwähnten gewickelten Faser-Kunststoff-Verbund, bei welchem es sich vorzugsweise um einen spiralgewickelten Faser-Kunststoff-Verbund handelt, kann es sich grundsätzlich bereits um den erfindungsgemäß herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der in den vorangegangenen Ausführungsformen erwähnte gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund jedoch weiter verarbeitet.
Vorzugsweise wird der in den vorangegangenen Ausführungsformen erwähnte gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund entlang seiner Längsrichtung, d.h. entlang der Wickelkernachse, unter Erhalt eines zweidimensionalen Faser-Kunststoff-Verbunds durchtrennt, vorzugsweise aufgeschnitten. Bei dem zweidimensionalen Faser-Kunststoff-Verbund handelt es sich bevorzugt um den erfindungsgemäß herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund. Der Begriff „zweidimensionaler Faser-Kunststoff-Verbund“ definiert im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt einen Faser-Kunststoff-Verbund, welcher in zwei seiner Dimensionen, bevorzugt seiner Länge und Breite, eine deutlich größere Abmessung besitzt als in seiner dritten Dimension, bevorzugt seiner Höhe oder Dicke.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund um ein unidirektional endlosfaserverstärktes Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug (FKV-Halbzeug).
In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich betrieben. Mit anderen Worten kann es erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds handelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein kontinuierliches Wickelverfahren, insbesondere um ein kontinuierlich-sequentielles Wickelverfahren, zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds.
In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein kontinuierliches Spiralwickelverfahren, insbesondere um ein kontinuierlich-sequentielles Spiralwickelverfahren, zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), welcher durch ein Verfahren gemäß erstem Erfindungsaspekt erhältlich bzw. herstellbar ist.
Bei dem Faser-Kunststoff-Verbund handelt es sich bevorzugt um ein Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug (FKV-Halbzeug).
Der Faser-Kunststoff-Verbund weist Verstärkungsfasern und eine Kunststoffmatrix auf. Die Verstärkungsfasern sind dabei von der Kunststoffmatrix umgeben bzw. liegen eingebettet in der Kunststoffmatrix vor.
Erfindungsgemäß kann der Faser-Kunststoff-Verbund insbesondere aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix bestehen.
Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich bevorzugt um nicht thermoplastische Verstärkungsfasern. In Ergänzung oder alternativ hierzu kann es sich bei den Verstärkungsfasern um thermoplastische Verstärkungsfasern handeln, welche einen höheren Schmelzpunkt als die Kunststoffmatrix besitzen.
Die Verstärkungsfasern können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Fasern, Metallfasern, organischen Fasern wie Polymerfasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Beispielsweise können die Verstärkungsfasern ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Mineralfasern, Basaltfasern, Borfasern, Kieselsäurefasern, Keramikfasern, Stahlfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern wie Nylonfasern, Polyethylenfasern, Plexiglasfasern, Holzfasern, Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Kenaffasern, Ramiefasern, Sisalfasern und Kombinationen davon.
Bei den Verstärkungsfasern kann es sich grundsätzlich um Endlosfasern oder um abgelängte Fasern handeln.
Bevorzugt handelt es sich bei den Verstärkungsfasern des Faser-Kunststoff-Verbunds um abgelängte Verstärkungsfasern. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise eine Länge von 12 mm bis 50 mm aufweisen.
Weiterhin können die Verstärkungsfasern eine Feinheit ≤ 4800 tex, insbesondere von 68 tex bis 2400 tex, bevorzugt 200 tex bis 1200 tex, aufweisen.
Bevorzugt sind die Verstärkungsfasern unidirektional in dem Faser-Kunststoff-Verbund angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Verstärkungsfasern in Form eines unidirektionalen Geleges in dem Faser-Kunststoff-Verbund angeordnet bzw. enthalten. Unter dem Begriff „unidirektionales Gelege“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Flächengebilde aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fasern verstanden werden, wobei die Fasern jeweils die gleiche Orientierung aufweisen. Die Verstärkungsfasern können insbesondere in Form eines unidirektionalen und einlagigen Geleges in dem Faser-Kunststoff-Verbund angeordnet bzw. enthalten sein.
Grundsätzlich kann es sich bei der Kunststoffmatrix um eine nicht thermoplastische Kunststoffmatrix handeln.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Kunststoffmatrix jedoch um eine thermoplastische Kunststoffmatrix.
Im Falle von thermoplastischen Verstärkungsfasern besitzt die thermoplastische Kunststoffmatrix vorzugsweise einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Verstärkungsfasern.
Die Kunststoffmatrix kann insbesondere ein thermoplastisches Material aufweisen oder aus einem thermoplastischen Material bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Kombinationen davon.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kunststoffmatrix textilförmig ausgebildet.
Bevorzugt weist die Kunststoffmatrix einen Vliesstoff auf oder liegt in Form eines Vliesstoffes vor.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kunststoffmatrix um eine thermoplastische und vliesstoffförmige Kunststoffmatrix. Beispielsweise kann es sich bei der Kunststoffmatrix um einen Vliesstoff aus Polyamid oder Polypropylen handeln.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern und die Kunststoffmatrix thermisch miteinander verbunden. Die Verstärkungsfasern und die Kunststoffmatrix können dabei nur lokal, insbesondere nur punktuell, oder durchgehend, d.h. über die gesamte Fläche der Kunststoffmatrix, miteinander verbunden sein.
Der Faser-Kunststoff-Verbund ist in einer weiteren Ausführungsform viereckförmig, insbesondere rechteckförmig, ausgebildet.
Der Faser-Kunststoff-Verbund kann insbesondere eine Abmessung (Länge x Breite) von 0.3 m × 0.7 m bis 5 m × 10 m, insbesondere 1 m × 1 m bis 5 m × 5 m, bevorzugt 1.5 m m × 2.5 m bis 2.5 m × 5 m, besitzen.
Der Faser-Kunststoff-Verbund ist bevorzugt zur Verwendung als Leichtbauwerkstoff, insbesondere für Anwendungen im Material- und/oder Strukturleichtbau, vorgesehen.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des Faser-Kunststoff-Verbunds wird vollständig auf die im Rahmen des ersten Erfindungsaspekts gemachten Ausführungen Bezug genommen.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung einen Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), welcher eine Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern aufweist oder aus einer Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern besteht.
Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich bevorzugt um eine thermoplastische und insbesondere vliesstoffförmige Kunststoffmatrix.
Die Verstärkungsfasern liegen vorzugsweise in Form eines unidirektionalen und insbesondere einlagigen Geleges vor.
Der dritte Erfindungsaspekt betrifft somit bevorzugt einen Faser-Kunststoff-Verbund, welcher eine thermoplastische und vorzugsweise vliesstoffförmige Kunststoffmatrix sowie eine Lage von vorzugsweise unidirektional angeordneten Verstärkungsfasern aufweist.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des Faser-Kunststoff-Verbunds wird vollständig auf die im Rahmen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts gemachten Ausführungen Bezug genommen.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Enderzeugnis, welches wenigstens eine Lage bzw. Schicht eines Faser-Kunststoff-Verbunds gemäß zweitem oder drittem Erfindungsaspekt aufweist.
Im Falle eines mehrlagig bzw. mehrschichtig aufgebauten Enderzeugnisses können sich die einzelnen Lagen bzw. Schichten hinsichtlich der Orientierung ihrer Fasern unterscheiden.
Bei dem Enderzeugnis handelt es sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform um ein Laminat, insbesondere Dünnschichtlaminat.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Enderzeugnis zur Verwendung als Leichtbauteil, insbesondere zur Verwendung als schalenförmiges Leichtbauteil, vorgesehen.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des Enderzeugnisses wird auf die bisherige Beschreibung Bezug genommen.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds (FKV), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß erstem Erfindungsaspekt.
Die Vorrichtung weist Folgendes auf:

– eine Zuführeinrichtung, insbesondere nur eine Zuführeinrichtung, zum vorzugsweise kontinuierlichen Zuführen eines Verstärkungsfaserrovings, insbesondere lediglich eines Verstärkungsfaserrovings,
– eine Spreizeinrichtung, insbesondere nur eine Spreizeinrichtung, zum Spreizen eines Verstärkungsfaserrovings, insbesondere lediglich eines Verstärkungsfaserrovings, und/oder ein Spreizelement oder ggf. mehrere Spreizelemente zum Spreizen eines Verstärkungsfaserrovings, insbesondere lediglich eines Verstärkungsfaserrovings,
– einen Wickelkern und
– eine Ablegeeinrichtung, insbesondere nur eine Ablegeeinrichtung, zum Ablegen eines gespreizten Verstärkungsfaserrovings, insbesondere lediglich eines gespreizten Verstärkungsfaserrovings, auf eine Kunststoffmatrix, welche auf einen Wickelkern aufgebracht, insbesondere gewickelt, ist.

Erfindungsgemäß kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung aus den im letzten Absatz erwähnten Komponenten (Zuführeinrichtung, Spreizeinrichtung und/oder Spreizelement bzw. Spreizelemente, Wickelkern und Ablegeeinrichtung) und ggf. einer Heizeinrichtung und/oder einer Arretiereinrichtung, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, besteht.
Die Zuführeinrichtung ist vorzugsweise als Rolle bzw. Spule ausgebildet. Bevorzugt stellt die Zuführeinrichtung den Roving kontinuierlich bereit.
Die Spreizeinrichtung umfasst vorzugsweise zwei gegenüberliegend angeordnete Andrückrollen.
Das Spreizelement bzw. die Spreizelemente kann/können Bestandteil der Ablegeeinrichtung sein.
Die Ablegeeinrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform in Längsrichtung des Wickelkerns verfahrbar ausgebildet. Auf diese Weise können Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings sequentiell und insbesondere parallel nebeneinander auf die Kunststoffmatrix abgelegt werden.
Die Ablegeeinrichtung weist in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Heizelement auf. Das Heizelement ist dazu ausgebildet, ein Erwärmen, bevorzugt Aufschmelzen, des Verstärkungsfaserrovings und/oder der Kunststoffmatrix, insbesondere nur der Kunststoffmatrix, zu bewirken.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine von der Ablegeeinrichtung unabhängige Heizeinrichtung auf. Die Heizeinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Erwärmen, bevorzugt Aufschmelzen, des Verstärkungsfaserrovings und/oder der Kunststoffmatrix, insbesondere nur der Kunststoffmatrix, zu bewirken. Die Heizeinrichtung kann in Querrichtung des Wickelkerns verfahrbar ausgebildet und – in Förderrichtung betrachtet – hinter dem Wickelkern angeordnet sein. Bevorzugt bewirkt die Heizeinrichtung ein vollflächiges Erwärmen von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix. Hierzu kann die Heizeinrichtung eine Wärmeabstrahlfläche aufweisen, deren Länge wenigstens der Länge des Wickelkerns entspricht. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise als Heizhaube gestaltet sein.
Das Heizelement bzw. die Heizeinrichtung ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine thermomechanische, stoffschlüssige Verbindung von Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix durch thermische Beanspruchung/Behandlung der Verbundkomponenten zu ermöglichen.
Das Heizelement bzw. die Heizeinrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, den Verstärkungsfaserroving und/oder die Kunststoffmatrix, bevorzugt nur die Kunststoffmatrix, nur lokal, insbesondere nur punktuell, zu erwärmen, bevorzugt aufzuschmelzen.
Das Heizelement bzw. die Heizeinrichtung kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die Kunststoffmatrix unmittelbar aufzuschmelzen oder mittelbar, bevorzugt über ein Erwärmen des Verstärkungsfaserrovings.
Die Ablegeeinrichtung weist in einer weiteren Ausführungsform eine Arretiereinheit auf.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine von der Ablegeeinrichtung unabhängige Arretiereinrichtung aufweisen.
Die Arretiereinheit bzw. die Arretiereinrichtung ist dazu ausgebildet, Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings Stoß an Stoß auf die Kunststoffmatrix abzulegen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Wickelmaschine.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der Vorrichtung wird vollständig auf die bisherige Beschreibung Bezug genommen.
Gemäß einem sechsten Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Faser-Kunststoff-Verbunds gemäß zweitem oder drittem Erfindungsaspekt als Leichtbauwerkstoff, insbesondere für Anwendungen im Material- und/oder Strukturleichtbau.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des Faser-Kunststoff-Verbunds wird ebenfalls vollständig auf die bisherige Beschreibung Bezug genommen.
Abschließend sollen die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch einmal wie folgt zusammengefasst werden:

– Durch eine kontinuierliche Verarbeitung nur eines Rovings zu einem Faser-Kunststoff-Verbund lassen sich eine höhere Prozessstabilität sowie -sicherheit erreichen.
– Es werden großserientechnisch verfügbare Verbundkomponenten in vorzugsweise sortenreiner Anhäufung verwendet, nämlich Verstärkungsfaserroving und Kunststoffmatrix.
– Die Toleranzen der Materialanhäufungen können im Bedarfsfall auf die Toleranzen von lediglich zwei zu paarenden Ausgangskomponenten, nämlich Verstärkungsfaserroving sowie Kunststoffmatrix, beschränkt werden.
– Konstante geometrische Verarbeitungsverhältnisse können identisch in jeden herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund übertragen werden und gewähren eine maximale Reproduzierbarkeit und Strukturhomogenität bei der Herstellung des Faser-Kunststoff-Verbunds.
– Materialmängel können im laufenden Prozess unmittelbar erkannt werden. Bis zum Erkennen eines Mangels hergestellte Mengen des Faser-Kunststoff-Verbunds und damit geleistete Produktivität bleiben für die weitere Verarbeitung, insbesondere zur Herstellung von Dünnschichtlaminaten, erhalten. Prozessunterbrechungen beschränken sich mithin auf die Mängelbeseitigung an der jeweiligen Einzelkomponente. Anschließend kann der Prozess ohne Qualitätsverlust fortgesetzt werden.
– Durch eine kontinuierliche Positionserkennung am Ablage- und Fügeort kann die Strukturhomogenität des Faser-Kunststoff-Verbunds geregelt werden. In Kombination mit einer Fadenspannungsregulierung kann dies zu einer deutlichen Verringerung der technischen Prozessintensität beitragen.
– Durch Verwendung einer insbesondere vliesstoffförmigen Kunststoffmatrix besteht die Möglichkeit einer erheblichen Reduzierung der Schichtdicke des herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbunds sowie von hieraus hergestellten Dünnschichtlaminaten.
– Proportional zu gesteigerten Spreizraten können die Massen der zu verarbeitenden Kunststoffmatrix vorzugsweise halbiert werden. Auf diese Weise sind insbesondere thermoplastische FKV-Leichtbaulaminate realisierbar, die je Laminatschicht deutlich im Dickenbereich von 0.1 mm und kleiner liegen.
– Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine energie- und ressourceneffiziente Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden, insbesondere Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben. Dabei können einzelne Merkmale jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Figurenkurzbeschreibung
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ausführliche Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds gemäß der vorliegenden Erfindung. Der hergestellte Faser-Kunststoff-Verbund liegt dabei vorzugsweise in Form eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugs vor.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Zuführeinrichtung 110 zum Zuführen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving 120. Die Zuführeinrichtung 110 ist vorzugsweise als Rolle bzw. Spule ausgebildet, von welcher der Verstärkungsfaserroving 120 in Förderrichtung vorzugsweise kontinuierlich abrollbar bereitgestellt wird.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Spreizeinrichtung 130 zum Spreizen des Verstärkungsfaserrovings 120. Bevorzugt ist die Spreizeinrichtung 130 in Form von zwei gegenüberliegend angeordneten Andrückrollen 132, 134 ausgebildet.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen rotationssymmetrischen Wickelkern 140. Der Wickelkern 140 ist mittels einer (nicht dargestellten) Antriebseinheit in Drehung versetzbar.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Ablegeeinrichtung 150 zum Ablegen des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 auf eine vorzugsweise thermoplastische Kunststoffmatrix 160, welche auf den Wickelkern 140 aufgebracht, insbesondere gewickelt, ist.
Um Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 parallel nebeneinander auf die Kunststoffmatrix 160 ablegen zu können, ist die Ablegeeinrichtung 150 in Längsrichtung des Wickelkerns 140 verfahrbar ausgebildet.
Um Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 zudem Stoß an Stoß auf die Kunststoffmatrix 160 ablegen zu können, ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Vorrichtung 100 ferner eine Arretiereinrichtung 170 aufweist.
Zum thermischen Verbinden des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 und der Kunststoffmatrix 160 umfasst die Vorrichtung 100 ferner eine Heizeinrichtung 180, vorzugsweise in Form einer Heizhaube. Die Heizeinrichtung 180 weist vorzugsweise eine Wärmeabstrahlfläche auf, deren Länge wenigstens der Länge des Wickelkerns 140 entspricht. Die Heizeinrichtung 180 ist bevorzugt in Querrichtung des Wickelkerns 140 verfahrbar ausgebildet und kann somit auf den Wickelkern 140 zubewegt oder von diesem wegbewegt werden.
Im Folgenden wird die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 beschrieben:
Der Verstärkungsfaserroving 120 wird vorzugsweise kontinuierlich von der Zufuhreinrichtung 110 abgerollt und in Richtung der Spreizeinrichtung 130 befördert. Beim Durchlaufen der Spreizeinrichtung 130 wird der Verstärkungsfaserroving 120 zu einem Roving mit einem bandförmigen Querschnitt gespreizt beziehungsweise verbreitert.
Nach dem Spreizen wird der Verstärkungsfaserroving 120 sodann mittels der Ablegeeinrichtung 150 auf die vorzugsweise thermoplastische Kunststoffmatrix 160 gewickelt. Der Wickelkern 140 wird dabei kontinuierlich in Drehung versetzt. Beim Wickeln des Verstärkungsfaserrovings 120 auf die Kunststoffmatrix 160 verfährt die Ablegeeinrichtung 150 in Längsrichtung des Wickelkerns 140, so dass Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 sequentiell und insbesondere parallel nebeneinander auf die Kunststoffmatrix 160 abgelegt werden. Durch die Arretiereinrichtung 170 werden die Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings 120 zudem Stoß an Stoß auf die Kunststoffmatrix 160 abgelegt.
Nach dem Wickeln des Verstärkungsfaserrovings 120 auf die Kunststoffmatrix 160 wird die Kunststoffmatrix 160 mittels der Heizeinrichtung 180 (partiell) aufgeschmolzen. Hierzu wird die Heizeinrichtung 180 bis zum Erreichen eines definierten Abstandes auf den Wickelkern 140 zubewegt. Während des Heizvorganges wird der Wickelkern 140 wenigstens einmal um 360 Grad um die eigene Längsachse gedreht. Durch ein anschließendes Verfestigen der Kunststoffmatrix 160 wird ein gewickelter, insbesondere spiralgewickelter, Faser-Kunststoff-Verbund 190 erhalten. Der gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund 190 wird vorzugsweise entlang seiner Längsrichtung durchtrennt, insbesondere aufgeschnitten, und in einen nicht dargestellten zweidimensionalen Faser-Kunststoff-Verbund überführt, bei welchem es sich um ein besonders bevorzugtes Herstellungsprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt.
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 Nicht-Patentliteratur

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Kausch, M.; Kroll, L.; Heinrich, H-J.: Thermoplastische Prepregs für den Hochleistungsbereich. Tagungsband der 12. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung 2009, S. 250–256 [0005]
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Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, vorzugsweise Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugs, welches die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving, – Spreizen des Verstärkungsfaserrovings und – Wickeln des gespreizten Verstärkungsfaserrovings auf eine auf einen Wickelkern aufgebrachte Kunststoffmatrix.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verstärkungsfaserroving um einen nicht thermoplastischen Verstärkungsfaserroving handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaserroving Verstärkungsfasern aufweist oder aus Verstärkungsfasern besteht, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus anorganische Fasern, Metallfasern, organische Fasern wie Polymerfasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaserroving ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glasfaserroving, Mineralfaserroving, Basaltfaserroving, Borfaserroving, Kieselsäurefaserroving, Keramikfaserroving, Stahlfaserroving, Kohlenstofffaserroving, Aramidfaserroving, Polyesterfaserroving, Polyamidfaserroving wie Nylonfaserroving, Polyethylenfaserroving, Plexiglasfaserroving, Holzfaserroving, Flachsfaserroving, Hanffaserroving, Jutefaserroving, Kenaffaserroving, Ramiefaserroving, Sisalfaserroving und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Spreizen die Breite des Verstärkungsfaserrovings um das 2-fache bis 20-fache, insbesondere 2,5-fache bis 10-fache, bevorzugt 4-fache bis 8-fache, gegenüber dem ungespreizten Roving erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kunststoffmatrix um eine thermoplastische Kunststoffmatrix handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix ein thermoplastisches Material aufweist oder aus einem thermoplastischen Material besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen (PP), Polyamide PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix textilförmig ausgebildet ist, vorzugsweise in Form eines Vliesstoffes vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gespreizte Verstärkungsfaserroving vor dem Wickeln an dem Wickelkern befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Wickeln Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings sequenziell auf die Kunststoffmatrix abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Wickeln Längsabschnitte des gespreizten Verstärkungsfaserrovings parallel nebeneinander, vorzugsweise Stoß an Stoß, auf die Kunststoffmatrix abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gespreizte Verstärkungsfaserroving nur in einer Lage auf die Kunststoffmatrix gewickelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wickeln der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix stoffschlüssig und vorzugsweise binde- und/oder lösungsmittelfrei unter Erhalt eines gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalt des gewickelten Faser-Kunststoff-Verbunds der gespreizte Verstärkungsfaserroving und die Kunststoffmatrix thermisch miteinander verbunden werden, vorzugsweise unter Aufschmelzen und anschließendem Verfestigen der Kunststoffmatrix.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der gewickelte Faser-Kunststoff-Verbund entlang der Wickelkernachse durchtrennt, vorzugsweise aufgeschnitten, wird.
Faser-Kunststoff-Verbund, vorzugsweise Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Faser-Kunststoff-Verbund, aufweisend eine thermoplastische und vorzugsweise vlies- stoffförmige Kunststoffmatrix sowie eine Lage von vorzugsweise unidirektional angeordneten Verstärkungsfasern.
Enderzeugnis, vorzugsweise in Form eines Dünnschichtlaminats, aufweisend wenigstens eine Lage eines Faser-Kunststoff-Verbunds nach Anspruch 16 oder 17.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds, vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welche aufweist: – eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving, – eine Spreizeinrichtung zum Spreizen von lediglich einem Verstärkungsfaserroving, – einen Wickelkern und – eine Ablegeeinrichtung zum Ablegen von lediglich einem gespreizten Verstärkungsfaserroving auf eine auf einen Wickelkern aufgebrachte Kunststoffmatrix.
Verwendung eines Faser-Kunststoff-Verbunds nach Anspruch 16 oder 17 als Leichtbauwerkstoff, insbesondere für Anwendungen im Material- und/oder Strukturleichtbau.