DE102016107956A1 - Process for the impregnation of continuous fibers for the production of fiber-reinforced semi-finished products - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugebei dem eine Fasermatte mit einem Kunststoff imprägniert wird bestehend aus den Schritten: A) Umspritzen der Fasermatte mit dem Kunststoff und B) Bewegen der mit Kunststoff umspritzten Fasermatte durch einen von einer Siegelfläche einer ersten Sonotrode und einem Gegenwerkzeug gebildeten Spalt, wobei während Schritt B) die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird.The present invention relates to a process for the production of fiber-reinforced semi-finished products in which a fiber mat is impregnated with a plastic consisting of the steps: A) encasing the fiber mat with the plastic and B) moving the plastic-coated fiber mat through one of a sealing surface of a first sonotrode and a gap formed by a counter tool, wherein during step B) the sonotrode is excited with an ultrasonic vibration.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfasern zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen.The present invention relates to a process for impregnating continuous fibers for the production of fiber-reinforced semi-finished products.
Die Bedeutung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen nimmt stetig zu. Faserverstärkte Kunststoffe sind Werkstoffe, die aus hochfesten/hochsteifen Fasern und einer Kunststoffmatrix bestehen. Die Kunststoffmatrix umgibt dabei die hochfesten Fasern. Da faserverstärkte Kunststoffe trotz niedrigem Gewicht in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, werden sie insbesondere für Leichtbauanwendungen eingesetzt. Um faserverstärkte Kunststoffbauteile herzustellen, wird in der Regel zunächst eine Fasermatte aus „trockenen“ Verstärkungsfasern, wie z.B. Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Kunststofffasern oder Naturfasern, mit dem Kunststoff imprägniert. Dabei kann die Fasermatte aus unidirektionalem Material bestehen oder sie kann als textile Struktur, wie z.B. als Gelege, Gewebe, Gewirke, Gestricke oder Gesticke, ausgebildet sein.The importance of components made of fiber-reinforced plastics is steadily increasing. Fiber reinforced plastics are materials that consist of high strength / high stiffness fibers and a plastic matrix. The plastic matrix surrounds the high-strength fibers. As fiber-reinforced plastics generally have high specific rigidities and strengths despite their low weight, they are used in particular for lightweight construction applications. In order to produce fiber-reinforced plastic components, a fiber mat of "dry" reinforcing fibers, such as e.g. Glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers, synthetic fibers or natural fibers, impregnated with the plastic. In this case, the fiber mat can consist of unidirectional material or it can be used as a textile structure, such as e.g. be designed as a scrim, woven, knitted or knitted fabrics.
Bei der Imprägnierung muss darauf geachtet werden, dass jedes Filament von Matrixmaterial umschlossen wird. Entsprechend imprägnierte bzw. vorimprägnierte Fasermatten werden auch als „Prepreg“ bezeichnet. In der Regel kommen als Kunststoffmaterial duroplastische Matrixmaterialien zum Einsatz, da diese niedrigviskos sind und problemlos die Filamente durchdringen. Wünschenswert sind jedoch auch thermoplastische Halbzeuge, insbesondere für große Serienanwendungen, da sie nahezu unbegrenzt lagerbar und besser transportier- und handhabbar sind. Zudem sind die Verarbeitungszeiten von thermoplastischen Halbzeugen kürzer.When impregnating, care must be taken that each filament is surrounded by matrix material. Correspondingly impregnated or preimpregnated fiber mats are also referred to as "prepreg". Thermoplastic matrix materials are generally used as the plastic material since they are of low viscosity and easily penetrate the filaments. However, thermoplastic semi-finished products are also desirable, especially for large series applications, since they can be stored almost indefinitely and are easier to transport and handle. In addition, the processing times of thermoplastic semi-finished products are shorter.
Thermoplastschmelzen haben jedoch eine im Vergleich zu Duroplasten deutlich höhere Viskosität und durchdringen selbst dünne Bündel aus Verstärkungsfasern, sogenannte Rovings, nur sehr schwer und häufig nur in den Randbereichen. Zudem sind die Verstärkungsfasern in der Regel kalt, was die Imprägnierung weiter erschwert.However, thermoplastic melts have a much higher viscosity compared to thermosets and penetrate even thin bundles of reinforcing fibers, so-called rovings, very difficult and often only in the edge regions. In addition, the reinforcing fibers are usually cold, which further complicates the impregnation.
Für die Imprägnierung von Rovings mit Thermoplasten kommen im Wesentlichen vier unterschiedliche Imprägniertechnologien zum Einsatz.
- 1. Bei der Schmelzimprägnierung wird eine Fasermatte mit einer Thermoplastschmelze umspritzt und durch eine beheizte Einwalzstrecke geführt. Danach wird das Material durch ein Kalandrierwalzenpaar geführt. Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass es unter Umständen sehr schwierig ist, eine homogene Mischung der Komponenten zu erzielen. Zudem müssen relative hohe Imprägnierungstemperaturen verwendet werden, die die Lebensdauer der Prepregs reduzieren können.
- 2. Bei der Pulverimprägnierung wird das Thermoplast in Pulverform auf die Fasermatte gleichmäßig aufgebracht und durchläuft dann eine Heizstrecke, in der das Pulver aufschmelzt. Im Anschluss an die Heizstrecke wird die Matte durch Imprägnierwalzen geführt, die das geschmolzene thermoplastische Material in die Matte einarbeiten. Im Anschluss daran wird das Material durch ein Kalandrierwalzenpaar geführt.
- 3. Bei der Lösungsmittelimprägnierung wird das thermoplastische Material als Granulat in einem Lösemittel in einem Imprägnierbad vorgehalten durch das die Fasermatte geführt wird. Im Anschluss daran muss die Fasermatte eine Trockenstrecke durchlaufen, in der das Lösemittel verdunstet.
- 4. Bei der sogenannten Film-Stacking-Imprägnierung wird eine Fasermatte beidseitig mit einer Thermoplastfolie bedeckt und die dadurch entstehende Sandwichstruktur durch eine Doppelbandpresse geführt, in der zunächst eine Heiz- und dann eine Kühlstrecke durchlaufen wird.
- 1. In the melt impregnation, a fiber mat is encapsulated with a thermoplastic melt and passed through a heated Einwalzstrecke. Thereafter, the material is passed through a pair of calender rolls. Disadvantage of this method is that it may be very difficult to achieve a homogeneous mixture of the components. In addition, relatively high impregnation temperatures must be used, which can reduce the lifetime of the prepregs.
- 2. In powder impregnation, the thermoplastic powder is applied evenly to the fiber mat and then passes through a heating section in which the powder melts. Following the heating section, the mat is passed through impregnating rollers which incorporate the molten thermoplastic material into the mat. Following this, the material is passed through a pair of calender rolls.
- 3. In the solvent impregnation, the thermoplastic material is held as granules in a solvent in an impregnating bath through which the fiber mat is guided. Following this, the fiber mat must pass through a drying section in which the solvent evaporates.
- 4. In the so-called film-stacking impregnation, a fiber mat is covered on both sides with a thermoplastic film and the resulting sandwich structure is passed through a double belt press, in which first a heating and then a cooling section is passed.
Alle beschriebenen Verfahren sind mit nicht unerheblichen thermischen Verlusten verbunden. Des Weiteren ist aufgrund der langsamen Wärmedurchdringung des Materials die Prozessorgeschwindigkeit limitiert. Zwar ist der Übergang des thermoplastischen Materials vom festen in den schmelzflüssigen Zustand prinzipiell reversibel und daher theoretisch beliebig oft wiederholbar, in der Praxis wird jedoch eine Reduktion des Molekulargewichtes bei jedem Schmelzvorgang beobachtet. All described methods are associated with significant thermal losses. Furthermore, due to the slow heat penetration of the material, the processor speed is limited. Although the transition of the thermoplastic material from the solid to the molten state is in principle reversible and therefore theoretically repeatable as often as desired, in practice, however, a reduction of the molecular weight is observed in each melting process.
Das Molekulargewicht stellt ein Maß für die Anzahl der Monomerwiederholeinheiten in der Kette dar. Eine Reduktion des Molekulargewichtes bedeutet daher eine Verkürzung der Polymerketten. Diese wird im Wesentlichen durch eine Oxidation, die bei Kontakt mit entweder Luftsauerstoff oder auch mit im Polymer selbst gelöstem Sauerstoff verursacht. Je länger daher der Schmelzzustand anhält, umso größer ist der negative Einfluss des Oxidationsvorganges auf das Kunststoffmaterial. The molecular weight represents a measure of the number of monomer repeating units in the chain. A reduction of the molecular weight therefore means a shortening of the polymer chains. This is essentially due to oxidation caused by contact with either atmospheric oxygen or oxygen dissolved in the polymer itself. Therefore, the longer the melting state lasts, the greater the negative influence of the oxidation process on the plastic material.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bereitzustellen, das den Kunststoff nur sehr kurzzeitig erwärmt, aber dennoch für ein zuverlässiges Aufschmelzen der beteiligten Kunststoffe sorgt.It is therefore an object of the present invention to provide a method for the production of fiber-reinforced semi-finished products, which heats the plastic for only a short time, but nevertheless ensures a reliable melting of the plastics involved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, welches die Schritte aufweist:
- A) Umspritzen der Fasermatte mit dem Kunststoff und
- B) Bewegen der mit Kunststoff umspritzten Fasermatte durch einen von einer Siegelfläche einer ersten Sonotrode und einem Gegenwerkzeug gebildeten Spalt, wobei während Schritt B) die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird.
- A) Injecting the fiber mat with the plastic and
- B) moving the plastic-coated fiber mat through one of a sealing surface of a first sonotrode and a counter-tool formed gap, wherein during step B) the sonotrode is excited with an ultrasonic vibration.
Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung der mit Kunststoff umspritzten Fasermatte mit einer mit Ultraschall beaufschlagten Sonotrode kann bei dem bekannten Schmelzimprägnierverfahren die beheizte Einwalzstrecke verkürzt werden oder sogar vollständig auf diese verzichtet werden.By the inventive processing of the plastic-coated fiber mat with an ultrasonically acted sonotrode the heated Einwalzstrecke can be shortened or even completely dispensed with in the known Schmelzimprägnierverfahren.
Die Bearbeitung mittels Ultraschall erlaubt es, zielgerichtet Wärme an den Kontaktflächen zwischen Fasermatte einerseits und umspritzten Kunststoff andererseits zu erzeugen, sodass mit sehr geringer Energie die umspritzte Struktur effektiv lokal aufgeschmolzen wird, was zu einer guten Imprägnierung führt.Processing by means of ultrasound makes it possible to purposefully generate heat at the contact surfaces between the fiber mat on the one hand and overmoulded plastic on the other hand, so that the overmolded structure is effectively locally melted with very low energy, which leads to a good impregnation.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Gegenwerkzeug eine Walze verwendet. Die Verwendung einer Walze hat unter anderem den Vorteil, dass die mit Kunststoff umspritzte Fasermatte, die unmittelbar nach dem Umspritzen noch nahezu flüssig ist, leicht zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug hindurch bewegt werden kann. Dabei entspricht die Geschwindigkeit der Walze der Materiallaufgeschwindigkeit.In a preferred embodiment, a roller is used as a counter tool. The use of a roller has, inter alia, the advantage that the fiber mat overmolded with fiber material, which is still almost liquid immediately after encapsulation, can easily be moved between the sonotrode and the counter tool. The speed of the roller corresponds to the material speed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Walze eine Kühleinrichtung auf, d.h. um das Festigen der gestellten Halbzeuge zu beschleunigen, wird das Gegenwerkzeug gekühlt. Wenn das Gegenwerkzeug gekühlt wird, emfpfiehlt es sich, die Ultraschallbearbeitung möglichst zu Beginn des Kontaktintervalls, d.h. des Zeitintervalls während dem die umspritzte Fasermatte das Gegenwerkzeug berührt, durchgeführt wird. Durch die Ultraschallbearbeitung kommt es lokal zu einer Erwärmung. Die notwendige Erwärmung ist umso größer, je niedriger die Temperatur der umspritzten Fasermatte ist. Daher sollte die Fasermatte noch nicht zu sehr abgekühlt sein. Zudem muss auch die mittels Sonotrode zugeführte Wärme abgeführt werden, daher sollte die mit Ultraschall bearbeitete Fasermatte danach möglichst lange mit dem gekühlten Gegenwerkzeug in Kontakt bleiben.In a particularly preferred embodiment, the roller has a cooling device, i. To accelerate the setting of the submitted semi-finished products, the counter-tool is cooled. When the counter tool is cooled, it is recommended to start the ultrasonic processing, preferably at the beginning of the contact interval, i. the time interval during which the over-molded fiber mat contacts the counter tool is performed. The ultrasound treatment causes local heating. The necessary heating is greater, the lower the temperature of the over-coated fiber mat. Therefore, the fiber mat should not have cooled down too much yet. In addition, the heat supplied by the sonotrode must be removed, so the ultrasonically treated fiber mat should remain in contact with the cooled counter tool for as long as possible.
Als erste Sonotrode kann bspw. eine Sonotrode mit rechteckiger Siegelfläche verwendet werden. Dabei sollte die Siegelfläche eine Längsausdehnung haben, die größer oder gleich der angestrebten Materialbreite ist. Wenn sehr breite Materialbreiten gewünscht sind, kann es unter Umständen von Vorteil sein, wenn mehrere Sonotroden mit rechteckigen Siegelflächen nebeneinander, d.h. in einer Richtung quer zur Materialvorschubrichtung, angeordnet werden.For example, a sonotrode with a rectangular sealing surface can be used as the first sonotrode. The sealing surface should have a longitudinal extent that is greater than or equal to the desired material width. When very wide widths of material are desired, it may be advantageous to have multiple sonotrodes with rectangular sealing surfaces side by side, i. in a direction transverse to the direction of material feed.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass als erste Sonotrode eine Walzensonotrode mit zylindermantelförmiger Siegelfläche verwendet wird.In an alternative embodiment it is provided that a roller sonotrode with a cylinder jacket-shaped sealing surface is used as the first sonotrode.
Insbesondere in Kombination mit einem walzenförmigen Gegenwerkzeug kann das Sonotrode-Gegenwerkzeug-Paar dann auch verwendet werden, um die Materialbahn, d.h. die umspritzte Fasermatte zu transportieren.In particular, in combination with a roller-shaped counter-tool, the sonotrode counter-tool pair can then also be used to clamp the web, i. to transport the over-molded fiber mat.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Gegenwerkzeug eine zweite Sonotrode mit einer Siegelfläche verwendet wird, wobei die zweite Sonotrode ebenfalls mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird. Im Grunde genommen wird die mit Kunststoff umspritzte Fasermatte zwischen zwei Sonotroden hindurch geführt und dabei bearbeitet.In a further preferred embodiment, it is provided that a second sonotrode with a sealing surface is used as the counter-tool, wherein the second sonotrode is also excited with an ultrasonic vibration. Basically, the plastic-coated fiber mat is passed between two sonotrodes and processed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Siegelflächen der ersten Sonotrode und der zweiten Sonotrode zumindest in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der umspritzten Fasermatte in Schritt B) gleich lang, wobei vorzugsweise die beiden Siegelflächen in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der umspritzten Fasermatte in Schritt B) zueinander versetzt sind, wobei am besten die beiden Siegelflächen um eine Viertel Wellenlänge der Ultraschallschwingung zueinander versetzt sind.In a particularly preferred embodiment, the sealing surfaces of the first sonotrode and the second sonotrode are the same length at least in a direction perpendicular to the direction of movement of the over-coated fiber mat in step B), wherein preferably the two sealing surfaces in the direction perpendicular to the direction of movement of the over-coated fiber mat in step B) are offset from each other, wherein best the two sealing surfaces are offset by a quarter wavelength of the ultrasonic vibration to each other.
Grundsätzlich wird bei der Dimensionierung von Sonotroden angestrebt, dass die Ultraschallschwingung der Siegelfläche möglichst homogen ist. Dies ist jedoch nur begrenzt erreichbar. In der Praxis bilden sich auf der Siegelfläche häufig Bereiche mit größerer Schwingungsamplitude und Bereiche mit kleinerer Schwingungsamplitude aus. Die Bereiche mit größerer Schwingungsamplitude sind mit einem Abstand von λ/2, d.h. einer halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung voneinander beabstandet. Durch die beschriebene Maßnahme der Versetzung um λ/4 wird erreicht, dass ein Bereich auf der Siegelfläche der ersten Sonotrode mit erhöhter Schwingungsamplitude mit einem Bereich der Siegelfläche der zweiten Sonotrode mit verringerter Schwingungsamplitude zusammentrifft, sodass insgesamt entlang der Länge der Siegelfläche die eingebrachte Energie homogenisiert wird.Basically, in the dimensioning of sonotrodes, the aim is that the ultrasonic vibration of the sealing surface is as homogeneous as possible. However, this is only limited achievable. In practice, regions of greater amplitude of vibration and regions of smaller amplitude of vibration often form on the sealing surface. The regions of greater amplitude of vibration are spaced by a distance of λ / 2, i. one-half wavelength of the ultrasonic vibration spaced from each other. The described measure of the offset by λ / 4 ensures that an area on the sealing surface of the first sonotrode with increased oscillation amplitude coincides with a region of the sealing surface of the second sonotrode with reduced oscillation amplitude, so that along the length of the sealing surface the introduced energy is homogenized ,
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden als erste und zweite Sonotrode jeweils eine Walzensonotrode mit zylindermantelförmiger Siegelfläche verwendet.In a further preferred embodiment, a roller sonotrode with a cylinder jacket-shaped sealing surface is used in each case as first and second sonotrode.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach Schritt B) das bearbeitete Halbzeug über eine Walze, vorzugsweise über eine Walze mit Kühleinrichtung geführt.In a further preferred embodiment, after step B), the processed semi-finished product is passed over a roller, preferably via a roller with a cooling device.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dicke des herzustellenden Halbzeuges über die Einstellung der Spaltbreite, d.h. des Abstandes zwischen der Siegelfläche der ersten Sonotrode und des Gegenwerkzeuges festgelegt wird. Gegebenfalls kann hier zusätzlich die Regelung der Materialvorschubgeschwindigkeit von Vorteil sein.In a further preferred embodiment, it is provided that the thickness of the semi-finished product to be produced by adjusting the gap width, i. the distance between the sealing surface of the first sonotrode and the counter tool is determined. If appropriate, the regulation of the feed rate of material may additionally be advantageous here.
Durch diese Maßnahme kann auch bei Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Homogenität der Materialdicke stellen, auf ein Kalandrierwerkzeug verzichtet werden.This measure makes it possible to dispense with a calendering tool even in applications which place great demands on the homogeneity of the material thickness.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druck, den das Sonotrode-Gegenwerkzeug-Paar auf die umspritzte Fasermatte ausübt, konstant gehalten wird. In der Praxis kann hier eine Regelvorrichtung, die die aufgebrachte Kraft misst, mit einem Soll-Kraftwert vergleicht und die Kraft entsprechend anpasst, verwendet werden.In an alternative embodiment, it is provided that the pressure which the sonotrode counter-tool pair exerts on the over-coated fiber mat is kept constant. In practice, a control device that measures the applied force, compares it to a desired force value and adjusts the force accordingly, may be used.
Für manche Anwendungsfälle kann es zudem von Vorteil sein, wenn die erste und ggf. auch die zweite Sonotrode gekühlt wird. Durch die Bearbeitung des noch heißen Materials kommt es zu einer nicht unerheblichen Erwärmung der Sonotrode und aller mit dieser verbundenen Bauteile. Die dadurch bewirkte thermische Ausdehnung muss aufwendig kompensiert werden. Zudem kann es bei zu hohen Temperaturen zu einer Beeinträchtigung der Piezo-Elemente, die zur Schwingungsanregung verwendet werden, kommen. Daher kann eine Kühlung der Sonotrode von Vorteil sein. For some applications, it may also be advantageous if the first and possibly also the second sonotrode is cooled. By processing the still hot material, there is a significant heating of the sonotrode and all associated with this components. The resulting thermal expansion must be compensated consuming. In addition, it can come at too high temperatures to a deterioration of the piezo elements that are used for vibrational excitation come. Therefore, cooling the sonotrode may be beneficial.
Weitere Vorteil, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen der Erfindung und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description of two embodiments of the invention and the associated figures. Show it:
In
Mit Hilfe einer Sonotrode
Durch die Ultraschallbearbeitung kommt es zu einer sehr effektiven Imprägnierung der Fasermatte mit thermoplastischem Material. Im weiteren Verlauf der Materialbahn wird diese aufgrund ihres Kontaktes mit der gekühlten Walze weiter abgekühlt, sodass das erstarrte Material mit Hilfe der Rolle
In
Das in
Nach der Bearbeitung des Faserhalbwerkzeuges
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ablaufgatter creel
- 22
- Verstärkungsfasern reinforcing fibers
- 33
- Vorrichtung contraption
- 44
- Extruder extruder
- 55
- Düse jet
- 66
- Walze/Chill-Roll Roll / chill roll
- 77
- Sonotrode sonotrode
- 88th
- umspritzte Fasermatte/Faserhalbzeug overmoulded fiber mat / semifinished fiber product
- 99
- erste Sonotrode first sonotrode
- 1010
- zweie Sonotrode two sonotrode
- 1111
- Rolle role
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