DE102015209571A1

DE102015209571A1 - Bauteile aus faser-kunststoff-verbunden und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE102015209571A1
Application number: DE102015209571.1A
Authority: DE
Inventors: Werner Hufenbach; Martin Lepper; Florian Lenz; Christian Garthaus; Bernhard Witschel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden, wie sie beispielsweise für Leichtbaukomponenten eingesetzt werden können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden, welche verbesserte insbesondere matrixdominierte Eigenschaften aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden, bestehend aus mindestens zwei Schichten mit gleicher oder verschiedener thermoplastischer Matrix, wobei die eine Schicht aus einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern und die andere Schicht aus einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern besteht, und der Volumenanteil der Schicht aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern maximal 50 % beträgt, und die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden, wie sie beispielsweise für Leichtbaukomponenten und Strukturkomponenten in Automobilbauteilen, wie Dach, Motorhaube, Kofferraumdeckel, oder in Hohlstrukturen, wie Rohren, Wellen, Trägerprofilen, eingesetzt werden können und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Wirtschaftliche Leichtbaulösungen in Faserverbund-Bauweise benötigen rationelle, reproduzierbare Fertigungsprozesse. Insbesondere Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix sind für die hochproduktive Fertigung von Strukturkomponenten geeignet, da die Konsolidierung des faserverstärkten Halbzeugs zum fertigen Bauteil sehr schnell erfolgen kann. Die weit verbreiteten duromeren Matrices, wie etwa Epoxidharz, benötigen aufgrund chemischer Reaktionen meist deutlich länger zur Konsolidierung/Aushärtung. Während dieser Aushärtung müssen Temperatur und Druck aufgebracht werden. Hierzu sind etwa teure Hochdruck-Öfen (Autoklaven) notwendig, um ein Bauteil in hoher Qualität zu erhalten. Thermoplast-Halbzeuge benötigen zwar auch einen Konsolidierungsdruck, dieser kann aber deutlich schneller wieder abgebaut werden, so dass der Materialdurchsatz der Autoklaven deutlich steigen kann. Alternativ können diese Halbzeuge auch vor Ort aufgeschmolzen, abgelegt und konsolidiert werden, so dass weitere Fertigungsschritte wie Vakuum anlegen, Halbzeug, Werkzeug und Anlage aufheizen und schließlich das Entfernen des Vakuumaufbaus entfallen.
Bei der Herstellung von Leichtbaukomponenten in Faserverbundbauweise gewinnen solche Verfahren zur gerichteten Ablage und in-situ-Konsolidierung von Verstärkungslagen auf der Basis thermoplastischer Matrices zunehmend an Bedeutung. Derartige Verfahren haben auch den Vorteil, dass sie deutlich kürzere Taktzeiten als klassische Duroplast-Prozesse ermöglichen. Zentraler Verfahrensschritt bei diesen Verfahren ist das Aufschmelzen des vorkonsolidierten Thermoplast-Faser-Halbzeuges. Dies wird beispielsweise mittels Infrarot-Strahlern, offenen Gasflammen, beheizten Formwerkzeugen oder mittels Laser-Strahlung realisiert.
Von der Firma AFPT ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein bandförmiges, faserverstärktes Halbzeug mit thermoplastischer Matrix auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt wird, wobei die Unterseite des Bandes mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und direkt darauffolgend mit einer Rolle angedrückt und so konsolidiert wird (http://www.afpt.nl/willkommen).
Nachteilig bei den lasergestützten Verfahren ist, dass sie sehr hohe Investitionen, vor allem in die Laserquelle, erfordern. Außerdem ist die Laminatqualität meist nicht zufriedenstellend, da wegen der sehr kurzen Einwirkzeit des Laserstrahls wenig Schmelze vorhanden ist und Unebenheiten auf der Verbundoberfläche nicht gefüllt werden können oder durch die hohe Energieintensität des Lasers eine Schädigung des zu erwärmenden Materials hervorgerufen werden kann. Dies resultiert in einer reduzierten Qualität des Verbundes mit erhöhter Porosität und verminderten mechanischen Eigenschaften.
Weiterhin bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Leichtbaukomponenten in Faserverbundbauweise, bei denen der Energieeintrag durch Ausnutzung der Erwärmung mittels Induktion realisiert wird. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass ein sehr hoher lokaler Energieeintrag möglich ist.
Nach der DE 10 2007 009 124 B4 ist ein induktionsgestütztes Fertigungsverfahren ähnlich dem AFPT-Verfahren bekannt, bei dem ein bandförmiges, Verstärkungsfasern und ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz aufweisendes Ausgangsmaterial mit superparamagnetischen Partikeln versetzt ist und mittels Einkoppeln eines elektromagnetischen Wechselfeldes erwärmt wird.
Gemäß der DE 38 80 716 T2 ist ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Schichten mit einem Substrat bekannt, bei dem die thermoplastischen Schichten und das Substrat jeweils wenigstens eine Schicht aus unidirektionalen elektrischen Leitern aufweisen, die in thermoplastischem Material eingebettet sind, und wobei an die elektrischen Leiter ein elektromagnetisches Wechselfeld angelegt wird.
Ebenfalls bekannt ist nach der DE 692 25 480 T2 ein Verfahren zum Induktionsheizen von Verbundwerkstoffen, bei dem ein Harz mit einer elektrisch leitenden Faser verstärkt ist, in die durch Anlegen eines magnetischen Feldes eine Spannung induziert wird, die über die elektrischen Verluste der resultierenden Wirbelströme zu einer Erwärmung des Harzes führt. Die Fasern liegen dabei in der Ebene des magnetischen Feldes.
Aus der EP 2439068 A1 sind mehrschichtige thermoplastische in Sandwich-Bauweise aufgebaute Plattenhalbzeuge bekannt, die einen Kern (A) aus kontinuierlich endlos faserverstärkten oder langfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen enthalten, der von einer thermoplastischen Formmasse (B) umgeben ist, wobei die thermoplastische Formmasse auch Verarbeitungshilfsmittel, Stabilisatoren, polymere Legierungspartner (z.B. Elastomeren), Verstärkungsmaterialien (z.B. Glasfasern) und gegebenenfalls weitere Additive enthalten kann.
Nach der DE 100 52 693 A1 ist ein Laminat bekannt, welches aus zwei thermoplastischen Harzschichten besteht, wovon eine Harzschicht 50 bis 90 Gew.-% Cellulosefasern aufweist.
Gemäß der EP 2664445 A1 ist eine Mehrschichtverbundstruktur aus faserverstärktem Kunststoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbundstruktur bekannt. Die Mehrschichtverbundstruktur besteht aus übereinander angeordneten Thermoplastschichten, zwischen denen jeweils eine Faserschicht angeordnet ist, wobei die Faserschichten ein Flächengebilde aus Endlosfasern oder ein Vlies sind. Als Fasern werden Glasfasern oder Kunststofffasern eingesetzt.
Im Falle des Einsatzes von beispielsweise superparamagnetischen Partikeln als Einkopplungsmöglichkeit für ein Magnetfeld ist nachteilig, dass auch diese Materialien sehr teuer sind und durch ihre Einbringung einen weiteren Verfahrensschritt erfordern. Weiterhin nachteilig ist, dass sie die Dichte des Materials wesentlich erhöhen und so den erreichbaren Leichtbaugrad der Faserverbund-Struktur verringern.
Weiterhin nachteilig ist es bei den bekannten Faserverbundhalbzeugen und Fertigungsverfahren mit thermoplastischer Matrix, dass zur Erzielung hoher mechanischer Eigenschaften hohe Faservolumengehalte im Bereich von 50–70 Vol.-% angestrebt werden, dadurch aber das vorhandene thermoplastische Harz nicht mehr ausreichend ist, um Lücken zwischen den Fasern und den einzelnen Verstärkungsschichten nach der Ablage der jeweiligen Schicht zu füllen. Solche Lücken entstehen üblicherweise durch Ablagetoleranzen oder sogenannte „Ply Drops“, also den lokalen Auslauf einzelner Verstärkungsschichten. Dies führt zu einer erhöhten Porosität und Fehlstellen im Laminat und damit zu einer Verschlechterung der Eigenschaften, verstärkter Mediendurchlässigkeit, sowie deutlich reduzierten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer Absenkung der Tragfähigkeit nach Schlagbelastung („Impact“).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden, welche verbesserte insbesondere matrixdominierte Eigenschaften aufweisen und ein einfaches und kostengünstiges Verfahrens zu ihrer Herstellung.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäßen Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden bestehen aus mindestens zwei Schichten mit gleicher oder verschiedener thermoplastischer Matrix, wobei die mindestens eine Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material besteht und die mindestens andere Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material besteht, und wobei der Volumenanteil der Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material maximal 50 % beträgt, und wobei die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Vorteilhafterweise besteht die thermoplastische Matrix der mindestens zwei Schichten aus dem gleichen thermoplastischen Material.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind als thermoplastische Matrix Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polycarbonat, Polyetherimid, Polypropylen, Polyethylen oder Polyoxymethylen vorhanden.
Weiterhin vorteilhafterweise sind als Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern vorhanden.
Und auch vorteilhafterweise sind die Fasern zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung als strukturierte Materialien in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken, Gelegen, Gestricken, oder in unstrukturierter Form in Form von Vliesen, oder als richtungsabhängig angeordnete Fasern oder Faserverbunde in dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material vorhanden sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn als Substrat ein Formteil aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder aus Glas vorhanden ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50–80 Vol.-% Fasern im Material, vorteilhafterweise 60–70 Vol.-%, besteht.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die mindestens andere Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material, vorteilhafterweise > 0 bis maximal < 50 Vol.-%, noch vorteilhafterweise > 0–30 Vol.-%, noch vorteilhafterweise 10–20 Vol.-%, besteht.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Volumenanteil der Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material 10 -30 % beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden ein oder mehrere Schichten aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material auf ein Substrat oder direkt über-, neben- und/oder aufeinander angeordnet, wobei mindestens eine Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material ganz oder teilweise auf mindestens einer Oberfläche einer der Schichten aus dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material aufgebracht wird, und wobei der Volumenanteil der Schichten aus einem thermoplastischen Material mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material am Bauteil maximal 50 % beträgt, und wobei die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und während des Aufbringens einer oder mehrerer oder aller Schichten und/oder nach dem Aufbringen der Schichten die Schichten einem induktiven Energieeintrag durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes bis mindestens zum Erweichen der thermoplastischen Matrix ausgesetzt und anschließend abgekühlt werden.
Vorteilhafterweise werden die Schichten auf ein Substrat aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder auf Glas aufgebracht.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden von jeder Schicht zwei bis zweihundert Schichten aufgebracht, wobei die einzelnen Schichten Schichtdicken von 0,05 bis 1mm aufweisen.
Weiterhin vorteilhafterweise werden die Schichten direkt übereinandern angeordnet, wobei sich die Schichten dabei vollständig bedecken, und/oder die Schichten werden in einem Mauerwerkverband über-, neben und/oder aufeinander angeordnet.
Und auch vorteilhafterweise wird die Einwirkung eines magnetischen Wechselfeldes mit einer Leistung von 1kW bis 150 kW und einer Frequenz von 25 kHz bis 3 MHz während einer Einwirkzeit von 1 s bis 30 s auf mindestens zwei Schichten realisiert, wobei mit Zunahme der Schichtanzahl im Einwirkungsbereich des magnetischen Wechselfeldes die Leistung und/oder die Frequenz und/oder die Einwirkzeit erhöht werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es erstmals möglich, Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden anzugeben, welche insbesondere verbesserte matrixdominierte Eigenschaften aufweisen, und ein einfaches und kostengünstiges Verfahrens zu ihrer Herstellung.
Erreicht wird dies durch Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden, die aus mindestens zwei Schichten mit gleicher oder unterschiedlicher thermoplastischer Matrix bestehen. Vorteilhafterweise ist die gleiche thermoplastische Matrix in den mindestens zwei Schichten vorhanden. Als thermoplastische Matrix können etwa Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polycarbonat, Polyetherimid, Polypropylen, Polyethylen oder Polyoxymethylen vorhanden sein. Im Falle von unterschiedlichen thermoplastischen Materialien müssen diese jedoch verfahrenstechnisch kompatibel sein.
Von den mindestens zwei Schichten besteht die mindestens eine Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material. Die mindestens eine andere Schicht besteht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material.
Der Volumenanteil dieser Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material beträgt maximal 50 %.
Weiterhin sind die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden. Als Fasern sind vorteilhafterweise Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern vorhanden. Nicht elektrisch leitfähige Fasern können ebenfalls eingesetzt werden, wobei entweder elektrisch leitfähige Fasern zur Realisierung der elektrischen Leitfähigkeit insgesamt vorhanden sind, oder nicht elektrisch leitfähige Fasern sind durch Faseranteile oder Faserbeschichtungen mindestens teilweise elektrisch leitfähig. In jedem Fall muss eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Fasern für die jeweilige Schicht zumindest teilweise realisiert sein, damit der induktive Energieeintrag realisiert werden kann. Vorteilhafterweise können zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung die Fasern als strukturierte Materialien in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken, Gelegen, Gestricken, oder in unstrukturierter Form in Form von Vliesen, oder als richtungsabhängig angeordnete Fasern oder Faserverbunde vorhanden sein. Durch das Vorhandensein von elektrisch leitfähigen Fasern, die zumindest teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist erfindungsgemäß gesichert, dass ein induktiver Energieeintrag durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes zu einer Erwärmung und teilweise An- oder Aufschmelzen des thermoplastischen Materials führt und so ein Bauteil aus einem Faser-Kunststoff-Verbund herstellbar ist. Durch Steuerung des Faseranteils und des magnetischen Wechselfeldes kann einerseits die Höhe und die Dauer des Energieeintrages und andererseits auch ein ortsgenauer Energieeintrag realisiert werden.
Als Substrat kann ein Formteil aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder aus Glas vorhanden sein, wobei auch Halbzeuge nur aus den mindestens zwei erfindungsgemäßen Schichten in Form von sogenannten Tapes vorab hergestellt und dann ohne oder mit Substrat zu einem Bauteil verarbeitet werden können. Dabei können erfindungsgemäß die Schichten direkt übereinander angeordnet werden, wobei sich die Schichten vollständig bedecken können, und/oder die Schichten werden in einem Mauerwerkverband über-, neben und/oder aufeinander angeordnet. Die einzelnen Schichten können auch so über- neben- oder aufeinander angeordnet sein, dass erst eine Schicht mit dem geringeren Faservolumengehalt und nachfolgend eine oder mehrere Schichten mit dem höheren Faservolumengehalt und abschließend dann wieder eine Schicht mit einem geringeren Faservolumengehalt angeordnet werden. Auch eine abwechselnde Anordnung der Schichten mit den unterschiedlichen Faservolumengehalten ist möglich. Ebenfalls ist es möglich, dass sich im Falle des Einsatzes von sogenannten Tapes, die aus einem vorgefertigten Faserverbund aus den Schichten mit mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material bestehen, oder aus Schichten aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material bestehen oder auch bereits aus einer gemeinsamen Anordnung mehrerer dieser beiden Schichten, nur eine überlappende Anordnung oder eine Anordnung auf Stoß dieser Tapes in ihren Randbereichen als Fläche und ihrer nachfolgenden Anordnung übereinander in Form eines Mauerwerkverbandes erfolgen kann.
Der vorteilhafte Faservolumengehalt in der mindestens einen Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix beträgt 50–80 Vol.-%, noch vorteilhafterweise 60–70 Vol.-%.
Der vorteilhafte Faservolumengehalt in der mindestens anderen Schicht beträgt > 0 bis maximal < 50 Vol.-%, vorteilhafterweise > 0–30 Vol.-%, noch vorteilhafterweise 10–20 Vol.-%.
Der vorteilhafte Volumenanteil der Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material beträgt 10 - 30 %.
Der Faservolumengehalt der einzelnen Schichten soll grundsätzlich möglichst hoch sein, wobei ein Unterschied im Faservolumengehalt der Schichten mit geringerem und höherem Faservolumengehalt, die unmittelbar über- neben- oder aufeinander angeordnet sind, vorhanden sein muss. Vorteilhafterweise beträgt dieser Unterschied im Faservolumengehalt 10 bis 25 Vol.-%. Eine stufenweise Gradierung des Faservolumengehaltes über den Schichtaufbau ist ebenfalls möglich.
Vorteilhafterweise wird eine Schicht mit einem Faservolumengehalt von 0 bis 30 Vol.-% mit einer Schicht mit einem Faservolumengehalt von 50 bis 70 Vol.-% bedeckt.
Bei dem Schichtaufbau kann ein unterschiedlicher Bedeckungsgrad der Schichten untereinander vorliegen. Vorteilhafterweise sollen sich die Schichten untereinander möglichst großflächig, noch vorteilhafterweise möglichst vollständig bedecken. Dies ist jedoch abhängig von der Art und Form des Bauteiles. Ebenso ist davon die konkrete Position der Schicht oder Schichten mit geringerem Faservolumengehalt im Volumen des Bauteiles abhängig. Dies ist jedoch dem Fachmann bei Kenntnis des konkret herzustellenden Halbzeuges bekannt oder kann mit einigen wenigen Versuchen leicht ermittelt werden
Die Dicke der Schichten ist ebenfalls abhängig von der Anwendung und Verarbeitung des herzustellenden Bauteils, wobei vorteilhafterweise die Schichten mit höherem Faservolumengehalt aufgrund des gewünschten höheren Volumenanteils im Bauteil üblicherweise eine größere Schichtdicke aufweisen und/oder in einer höheren Anzahl gegenüber den Schichten mit geringerem Faservolumengehalt aufgebracht werden.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Bauteile besteht darin, dass sie ein monolithisches Bauteil darstellen, welches keine gewollten Kavitäten und Porosität im Inneren des Schichtaufbaus aufweist, aber unterschiedliche Dicken und lokal unterschiedliche Anzahlen an Schichten aufweisen kann. Dadurch werden erfindungsgemäß Bauteile bereitgestellt, die im Gegensatz zu solchen, die nach dem bekannten Stand der Technik konzipiert und gefertigt wurden, gegebenenfalls mengen- und volumenmäßig mehr Matrixmaterial im Gesamtvolumen des Bauteiles aufweisen, wodurch aber Fehlstellen im Bauteil vermieden und die Porosität des Bauteiles verringert wird. So werden trotz eines reduzierten Gesamt-Faservolumengehalts des gefertigten Bauteils seine mechanischen Eigenschaften und insbesondere die matrixdominierten Eigenschaften, wie Schub-, Schlag- und/oder Querzugbelastung verbessert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden hergestellt, indem ein oder mehrere Schichten aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material auf ein Substrat oder direkt über-, neben- und/oder aufeinander angeordnet werden. Einerseits können die Schichten direkt über- neben und/oder aufeinander angeordnet werden, die dann als Halbzeuge konsolidiert, wie sogenannte Tapes, hergestellt werden können. Andererseits können die Schichten auch auf ein Substrat angeordnet werden, welches beispielsweise ein Formteil, wie ein Autobauteil oder eine Hohlstruktur ist. Weiter wird über, neben und/oder auf diese eine Schicht mindestens eine andere Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material angeordnet, wobei diese Schicht ganz oder teilweise auf mindestens einer Oberfläche einer der Schichten aus dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material aufgebracht wird.
Dabei darf der Volumenanteil der Schichten aus einem thermoplastischen Material mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material am Bauteil einen Wert von maximal 50 % nicht übersteigen.
Als Fasern werden ganz oder teilweise elektrisch leitfähig Fasern eingesetzt, wobei diese ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind, Die ganz oder teilweise elektrisch leitende Verbindung ist notwendig, um den induktiven Energieeintrag realisieren zu können, damit sich bei Anlegen eines magnetischen Wechselfelds der Verbund über Joulsche Erwärmung, dielektrische Erwärmung und/oder Wärmeentwicklung an Übergangswiderständen erwärmt.
Während des Aufbringens einer oder mehrerer oder aller Schichten und/oder nach dem Aufbringen der Schichten die Schichten werden diese einem induktiven Energieeintrag durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes bis mindestens zum Erweichen der thermoplastischen Matrix ausgesetzt und anschließend abgekühlt.
Die Schichten können auf ein Substrat aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder auf Glas aufgebracht werden.
Von jeder Schicht der mindestens zwei Schichten können zwei bis zweihundert Schichten aufgebracht werden, wobei die einzelnen Schichten Schichtdicken von 0,05 bis 1mm aufweisen. Dabei können die Schichten direkt übereinander angeordnet werden, wobei sich die Schichten dabei vollständig bedecken, und/oder die Schichten werden in einem Mauerwerkverband über-, neben und/oder aufeinander angeordnet.
Die Anordnung dieser eingebetteten Fasern kann dabei dort erfolgen, wo die Erwärmung der Matrix erfolgen soll. Dazu können vorteilhafterweise die Fasern strukturiert in der Matrix angeordnet werden, beispielsweise in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken, Gelegen, Gestricken, oder als richtungsabhängig angeordnete Fasern oder Faserverbunde, insbesondere in dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material.
Die Energieeinbringung durch Induktion zeichnet sich insbesondere durch die hohe Energieeffizienz, die hohen Energiedichten und die gute Tiefenwirkung auch bei dickwandigen Bauteilen aus. Vorteilhafterweise wird die Einwirkung eines durch eine Induktionserwärmungsanlage mit einer Leistung von 1 kW bis 150 kW erzeugten magnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz von 25 kHz bis 3 MHz während einer Einwirkzeit von 1 s bis 30 s auf mindestens zwei Schichten realisiert. Mit Zunahme der Schichtanzahl im Einwirkungsbereich des magnetischen Wechselfeldes werden auch die Leistung und Einwirkzeit erhöht werden, wobei dies immer in Abhängigkeit von dem jeweils eingesetzten Material, dem Faseranteil und der Schichtanzahl angepasst werden muss. Realisiert werden muss mindestens ein Erweichen des thermoplastischen Materials im Einwirkungsbereich des magnetischen Wechselfeldes. Mit einigen wenigen Versuchen sind die Leistung und/oder die Frequenz und/oder die Einwirkzeit jeweils ohne Weiteres ermittelbar.
Die Temperaturerhöhung mittels induktiven Energieeintrags bis mindestens zum Erweichen, vorteilhafterweise bis zum Aufschmelzen, der thermoplastischen Materialien kann unmittelbar während des Aufbringens der Schichten, auch nach dem Aufbringen mehrerer Schichten und/oder auch nach dem Aufbringen aller Schichten erfolgen.
Dabei können einzelne oder mehrere Schichten diesem Energieeintrag ausgesetzt werden, oder der Schichtverbund kann unter einem magnetischen Wechselfeld hindurchgeführt werden.
Vorteilhafterweise bestehen die Schichten aus einem thermoplastischen Matrixmaterial, in dem mindestens Fasern eingebettet sind, und wobei weitere Materialien in der Matrix eingebettet sein können, wie beispielsweise Partikel oder Kohlenstoffnanoröhren oder Basalt- oder Glasfasern.
Als Schichten können auch sogenannte Tapes eingesetzt werden. Derartige Tapes werden aus einem thermoplastischen Matrixmaterial hergestellt und können den gewünschten Faservolumengehalt im Volumen des Tapes und oder weitere Materialien enthalten. Vorteilhafterweise werden zwei Arten von Tapes hergestellt, die einerseits aus einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material und andererseits aus einem thermoplastischen Material mit 0 bis maximal 50 Vol.-% Fasern im Material bestehen. Diese beiden Typen von Tapes können dann als erfindungsgemäß benannte Schichten eingesetzt werden. Die Herstellung solcher Tapes kann über verschiedene bekannte Verfahren erfolgen, etwa Film- oder Direkt-Imprägnierung. Beim Einsatz von Tapes mit unterschiedlichen Faservolumengehalten kann ebenfalls eine hohe Ablagerate erzielt und die Gesamtzeit für die Herstellung des Faserverbund-Halbzeuges verringert werden.
Ebenso können als Schichten sogenannte Organobleche hergestellt werden, die dickwandiger als Halbzeuge aus Tapes sein können und ebenfalls vorteilhafte Eigenschaften zeigen können.
Als elektrisch leitfähige Fasern können vorteilhafterweise Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Diese können auch als Kurzfasern eingesetzt werden und vorteilhafterweise in weitgehend statistischer Verteilung in der Matrix angeordnet werden, wodurch eine zumindest teilweise elektrisch leitfähige Verbindung auch zwischen den Kurzfasern und deren Ankopplung an das magnetische Wechselfeld realisiert wird.
Vorteilhaft ist auch der Einsatz von sogenannten Wirrfaser-Vliesen als Fasern insbesondere in den Schichten mit geringerem Faservolumengehalt. Wenn derartige Schichten auf die untere und ober Oberfläche einer Schicht oder eines Schichtverbundes mit höherem Faservolumengehalt angeordnet werden, so ist ein solcher Schichtverbund besonders geeignet zur Einkopplung eines magnetischen Wechselfeldes.
Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass mindestens teilweise elektrisch leitfähige Fasern eingesetzt werden, die weiterhin eine elektrisch leitfähige Verbindung bilden, damit eine Einkopplung des magnetischen Feldes realisiert wird. Ein solcher Einsatz von Fasern in Thermoplast-Bauteilen ist nach dem Stand der Technik nicht bekannt, bei dem entweder elektrisch nichtleitende Fasern eingesetzt werden, oder die Fasern primär als Endlosfasern vorliegen. Dadurch kann keine gleichmäßige Einkopplung des magnetischen Wechselfeldes in das Bauteil realisiert werden. Insbesondere liegen nach dem Stand der Technik Halbzeuge vor, die eben keine erfindungsgemäße Schicht mit geringerem Faservolumengehalt im Vergleich zur erfindungsgemäßen Schicht mit höherem Faservolumengehalt (Verstärkungsschicht) aufweisen, deren primäre Aufgabe die Aufnahme der Energie des magnetischen Wechselfeldes zum Zwecke einer Erweichung der thermoplastischen Matrix und die Anbindung an die benachbarten Schichten ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können mit einem kostengünstigen, hoch produktivem Verfahren Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden hergestellt werden, welche verbesserte mechanische Eigenschaften insbesondere verbesserte matrixdominierte Eigenschaften, wie Schub-, Schlag- und/oder Querzugbelastung aufweisen. Erreicht wird dies insbesondere durch den Mehranteil an Matrixmaterial im Bauteil, der zu einer verringerten Porosität führt.
Es können auch endlosfaserverstärkte Thermoplast-Bauteile aus den Faser-Kunststoff-Verbunden mit hoher Qualität gefertigt werden. Ebenso ist eine rationelle Fertigung von Strukturkomponenten in Faserverbund-Leichtbauweise mit thermoplastischer Matrix bei guter Laminatqualität möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel
Es wird ein Halbzeug aus kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6 mit einer Gesamtstärke von 0,55 mm, einer Breite von 1 m und einem durchschnittlichen Faservolumengehalt von 48% aus zwei Schichtenverbunden, von denen ein Schichtverbund mit einer Stärke von 0,15 mm einen Faservolumengehalt von 20% aufweist und der zweite Schichtverbund mit einer Stärke von 0,4 mm einen Faservolumengehalt von 60% aufweist, hergestellt. Dies erfolgt, indem der Schichtverbund mit einer Stärke von 0,15 mm und einem Faservolumengehalt von 20% kontinuierlich mit Hilfe einer Doppelbandpresse erzeugt wird. Dabei wird eine Kohlenstofffasergelegebahn mit einem Flächengewicht von 50g/m² gemeinsam mit zwei Folienbahnen aus Polyamid 6 mit einer Stärke von je 0,04mm, wobei eine der Folien über und die andere unter dem Gelege angeordnet ist, in die Presse transportiert, dort auf 240°C erwärmt und mit einem Druck von 5·10⁵ Pa verpresst. Die Geschwindigkeit der Presse ist so eingestellt, dass das Material 60 s lang bei 240°C gehalten wird und anschließend durch die Presse in eine Kühlzone transportiert wird, wo es unter konstantem Druck auf 180°C abgekühlt wird. Die Fasern sind dabei in Längsrichtung orientiert. Die Herstellung des Schichtverbundes mit einer Stärke von 0,4 mm und einem Faservolumengehalt von 60% erfolgt ebenfalls in einer Doppelbandpresse. Dabei werden vier Kohlenstofffasergelegebahnen mit einem Flächengewicht von 100 g/m² gemeinsam mit acht Folienbahnen aus Polyamid 6 mit einer Stärke von je 0,02 mm, wobei für jede Kohlenstofffasergelegebahn zwei Folienbahnen so angeordnet sind, dass eine unter und die andere über der Kohlenstofffasergelegebahn liegt, in die Presse transportiert, dort auf 240°C erwärmt und mit einem Druck von 5·10⁵ Pa verpresst. Die Geschwindigkeit der Presse ist so eingestellt, dass das Material 60 s lang bei 240°C gehalten wird und anschließend durch die Presse in eine Kühlzone transportiert wird, wo es unter konstantem Druck auf 180°C abgekühlt wird. Die Fasern sind dabei in Längsrichtung orientiert. Die beiden getrennt hergestellten Schichtverbunde werden anschließend so zusammengeführt, dass sie sich übereinanderliegend flächig berühren, danach einem durch eine Induktionserwärmungsanlage mit einer Leistung von 5 kW erzeugten magnetischen Wechselfeld mit einer Frequenz von 150 kHz 10 s ausgesetzt. Dadurch wird im Einwirkungsbereich des magnetischen Wechselfeldes das Polyamid auf 225°C erwärmt und miteinander verschmolzen. Am Ende wird das der erhaltene Faser-Kunststoff-Verbund kontinuierlich auf eine Rolle gewickelt und nachfolgend zur Herstellung eines faserverstärkten Rohres eingesetzt. Dazu wird ein Wickelkern in eine Filamentwickelmaschine eingespannt, deren Spulenständer mit dem hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund bestückt wird. Sowohl das abgezogene Faser-Kunststoff-Verbund als auch die Ablagestelle werden während des Wickelprozesses mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes bis über die Schmelztemperatur des Polyamid 6 erwärmt, wodurch die einzelnen gewickelten Lagen aus dem Faser-Kunststoff-Verbund miteinander verschmolzen und nach dem Erstarren ein Verbund aus den Lagen ausgebildet wird. Nach Aufbringung aller Lagen wird das fertige Bauteil in Form des faserverstärkten Rohres vom Wickelkern entformt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007009124 B4 [0007]
DE 3880716 T2 [0008]
DE 69225480 T2 [0009]
EP 2439068 A1 [0010]
DE 10052693 A1 [0011]
EP 2664445 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.afpt.nl/willkommen [0004]

Claims

Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden, bestehend aus mindestens zwei Schichten mit gleicher oder verschiedener thermoplastischer Matrix, wobei die mindestens eine Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material besteht und die mindestens andere Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material besteht, und wobei der Volumenanteil der Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material maximal 50 % beträgt, und wobei die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die thermoplastische Matrix der mindestens zwei Schichten aus dem gleichen thermoplastischen Material besteht.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen als thermoplastische Matrix Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polycarbonat, Polyetherimid, Polypropylen, Polyethylen oder Polyoxymethylen vorhanden sind.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen als Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern vorhanden sind.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die Fasern zur Realisierung der ganz oder teilweise elektrisch leitenden Verbindung als strukturierte Materialien in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken, Gelegen, Gestricken, oder in unstrukturierter Form in Form von Vliesen, oder als richtungsabhängig angeordnete Fasern oder Faserverbunde in dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material vorhanden sind.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen als Substrat ein Formteil aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder aus Glas vorhanden ist.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die mindestens eine Schicht aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50–80 Vol.-% Fasern im Material, vorteilhafterweise 60–70 Vol.-%, besteht.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die mindestens andere Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material, vorteilhafterweise > 0 bis maximal < 50 Vol.-%, noch vorteilhafterweise > 0–30 Vol.-%, noch vorteilhafterweise 10–20 Vol.-%, besteht.
Bauteile nach Anspruch 1, bei denen der Volumenanteil der Schicht oder Schichten aus der thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material 10–30 % beträgt.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden, bei dem ein oder mehrere Schichten aus mindestens einem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material auf ein Substrat oder direkt über-, neben- und/oder aufeinander angeordnet werden, wobei mindestens eine Schicht aus mindestens einer thermoplastischen Matrix mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material ganz oder teilweise auf mindestens einer Oberfläche einer der Schichten aus dem faserverstärkten Material mit einer thermoplastischen Matrix mit mindestens 50 Vol.-% Fasern im Material aufgebracht wird, und wobei der Volumenanteil der Schichten aus einem thermoplastischen Material mit 0 bis maximal < 50 Vol.-% Fasern im Material am Bauteil maximal 50 % beträgt, und wobei die eingebetteten Fasern ganz oder teilweise elektrisch leitfähig und ganz oder teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und während des Aufbringens einer oder mehrerer oder aller Schichten und/oder nach dem Aufbringen der Schichten die Schichten einem induktiver Energieeintrag durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes bis mindestens zum Erweichen der thermoplastischen Matrix ausgesetzt und anschließend abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Schichten auf ein Substrat aus einem metallischen, polymeren oder keramischen Material oder auf Glas aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem von jeder Schicht zwei bis zweihundert Schichten aufgebracht werden, wobei die einzelnen Schichten Schichtdicken von 0,05 bis 1mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Schichten direkt übereinander angeordnet werden, wobei sich die Schichten dabei vollständig bedecken, und/oder die Schichten werden in einem Mauerwerkverband über-, neben und/oder aufeinander angeordnet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Einwirkung eines magnetischen Wechselfeldes mit einer Leistung von 1kW bis 150 kW und einer Frequenz von 25 kHz bis 3 MHz während einer Einwirkzeit von 1 s bis 30 s auf mindestens zwei Schichten realisiert wird, wobei mit Zunahme der Schichtanzahl im Einwirkungsbereich des magnetischen Wechselfeldes die Leistung und/oder die Frequenz und/oder die Einwirkzeit erhöht werden.