-
Die Erfindung betrifft ein Imprägnierwerkzeug zur Fertigung eines Faserverbundwerkstoffes, welcher Fasern und einen thermoplastischen Matrixkunststoff enthält, mit einer eine Faserverbundwerkstoffkontaktfläche aufweisenden Komprimierzone (Imprägnierzone), wobei die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche zur Imprägnierung der Fasern durch thermoplastisches Verformen des Matrixkunststoffes während eines Durchlaufens des Faserverbundwerkstoffes durch die Komprimierzone eingerichtet ist sowie ein Verfahren zu dessen Verwendung bei der Schmelzdirektimprägnierung.
-
Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix gewinnen in Strukturanwendungen vor allem als lokale Verstärkungselemente immer mehr an Bedeutung. Unter Matrix wird dabei der Kunststoff verstanden, in welchen die Fasern eingebettet sind. Insbesondere sind hier die unidirektional verstärkten Thermoplaste(UD-Tapes) relevant, da durch deren Verwendung bei der Herstellung der Strukturanwendungen die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe genutzt werden können. Für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen kommen verschiedene Verfahren in Betracht, z.B. Folienimprägnierung, Pulverimprägnierung oder die Schmelzdirektimprägnierung. Als wirtschaftlichste kann die Schmelzdirektimprägnierung angesehen werden, da dazu ein relativ geringer Prozessumfang notwendig ist. Bei der Schmelzdirektimprägnierung wird durch Aufheizen und Ausbilden einer Strömung die Viskosität des Matrixkunststoffes im Imprägnierwerkzeug vermindert, so dass der Matrixkunststoff in Zwischenräume zwischen den Fasern eindringen kann.
-
Als schwierig dabei erweisen sich, wie bei allen Prozessen zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbunden, relativ hohe Prozesszeiten und die teilweise schlechte Benetzung der Fasern mit dem thermoplastischen Matrixkunststoff, die als Imprägnierung bezeichnet wird. Diese Imprägnierung wird bei der Schmelzdirektimprägnierung durch Verringerung der Viskosität des Matrixkunststoffes bei dessen Durchlaufen des Imprägnierwerkzeuges erreicht, so dass eine Benetzung der Fasern ermöglicht wird. Die Verringerung der Viskosität beruht dabei zum einen auf einer Temperaturerhöhung und zum anderen auf einer Scherströmung des Matrixkunststoffes während des Transportes durch das Werkzeug.
-
Aus der
WO 2013/092738 A2 ist ein Verfahren und ein Pultrusionssystem bekannt. Dieses dient der Herstellung eines schnurförmigen Verbindungselements aus einem Faserbündel und mindestens einer Füllkomponente, wobei das Faserbündel in eine Injektionsbox mit mindestens zwei Zufuhrkanälen und einer Injektionskammer geführt wird. In die Injektionskammer wird die Füllkomponente in einem flüssigen Zustand injiziert, so dass das Faserbündel mit der Füllkomponente gesättigt wird und eine Materialverbindung entsteht.
-
Die
DE 35 21 229 A1 offenbart die Herstellung von Halbzeugen aus faserverstärkten Kunststoffen. Dazu wird Fasermaterial in gebundener Form kontinuierlich oder chargenweise in eine Imprägnierzone eingebracht und mit flüssigem Kunststoff imprägniert. Für eine sehr gleichmäßige und schnelle Verteilung des Kunststoffs im Fasermaterial werden das Fasermaterial und der Kunststoff in der Imprägnierungszone Ultraschall ausgesetzt.
-
Die japanische Offenlegungsschrift
JP H03 216308 A zeigt ein Verfahren zur Imprägnierung eines Faserbündels mit flüssigem Harz. Dabei werden neben weiteren Maßnahmen Schwingungen in das Harz eingekoppelt, um die Benetzung zu verbessern.
-
Aus der
AT 65 457 E ist ein Verfahren zur Herstellung von Profilen aus thermoplastischen Harzen bekannt. Hierzu werden endlose Fasern mit thermoplastischen Harzen in einer Umhüllungsdüse verstärkt, welche eine Hinderniszone aufweist.
-
Die
DE 4301844 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Imprägnierwerkzeug mit einer keilförmig verlaufenden Komprimierzone, deren Faserverbundwerkstoffkontaktfläche durch mehrere Rollen ausgebildet wird. Der Matrixkunststoff und die Fasern laufen kontinuierlich in die Komprimierzone ein, wo sie durch die Rollenoberflächen komprimiert werden und derart die Imprägnierung der Fasern erfolgt.
-
Bei der Schmelzdirektimpräg-inierung ist die Güte der Imprägnierung direkt von der Viskosität des thermoplastischen Matrixkunststoffes und der Faserverteilung während der Imprägnierung abhängig. Da die Viskosität von thermoplastischen Kunststoffen sehr hoch sein kann, wird die Imprägnierung erschwert, d.h. es kommt zu Trockenstellen innerhalb des Faserverbundwerkstoffes, z.B. des UD-Tapes. Bei der derzeitig verwendeten Technologie wird die Strukurviskosität des Matrixkunststoffes, d.h. die Senkung der Viskosität bei zunehmender Geschwindigkeit beim Durchlaufen des Faserverbundwerkstoffes durch die Komprimierzone des Imprägnierwerkzeuges, nur durch die Produktionsgeschwindigkeit induziert, wodurch die maximale Viskositätssenkung beim Imprägnieren begrenzt ist. Weiterhin lässt sich die Viskosität mit einer Erhöhung der Temperatur senken, was aber nur in bestimmten Grenzen möglich ist, da sich der Matrixkunststoff bei zu hohen Temperaturen zersetzt. Ein weiteres Problem der bekannten Technologien zur Schmelzdirektimpräg-inierung von thermoplastischen Faserverbünden ist die inhomogene Verteilung der Fasern, was für eine gleichmäßige Benetzung nachteilig ist. Die inhomogene Verteilung führt zu unterschiedlichen Imprägnierlängen, was im UD-Tape zu Trockenstellen führen kann. Aus diesen nachteiligen Parametern ergeben sich relativ lange Benetzungszeiten, welche die Wirtschaftlichkeit des Prozesses senken. Weiterhin entstehen durch die ungleichmäßige Faserverteilung und Benetzung Spannungsgradienten im UD-Tape, welche bei stark belasteten Strukturen zu erhöhter Versagensneigung führen können.
-
Um ein Reißen des Faserverbundwerkstoffes bei dessen Produktion zu vermeiden und um die benötigte Benetzungszeit zu gewährleisten können im Stand der Technik nur relativ langsame Produktionsgeschwindigkeiten von lediglich bis zu 10 m/min angewandt werden. Um die Faserverteilung zu verbessern, wird vor der Imprägnierung eine Spreizung vorgenommen, was zu einem zusätzlichen Prozessschritt führt. Weiterhin lässt sich die Schmelzviskosität des Kunststoffes nur durch die Produktionsgeschwindigkeit und die Temperatur bei der Imprägnierung beeinflussen, wodurch ein deutlich schnelleres Benetzen der Fasern nicht möglich ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Imprägnierwerkzeug sowie ein Verfahren zu dessen Verwendung bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, wobei insbesondere die Benetzung der Fasern im Faserverbundwerkstoff verbessert werden soll.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Imprägnierwerkzeug gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche betreffen spezielle Ausführungsformen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß sind Schwingungsanregungsmittel zum Induzieren einer oszillierenden Bewegung der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche vorgesehen, wobei die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche eine Wellengeometrie aufweist.
-
Erfindungsgemäß werden also gemäß dem Stand der Technik bekannte Imprägnierwerkzeuge für die Schmelzdirekt- imprägnierung mittels einer oszillierenden Anregung erweitert. Die oszillierende Bewegung wird von der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche auf den Faserverbundwerkstoff übertragen, wodurch die Faserverteilung während des Imprägnierens d.h. während des Durchlaufens des Faserverbundwerkstoffes durch die Komprimierzone verbessert wird und die Schmelzviskosität des thermoplastischen Matrixkunststoffes, insbesondere unabhängig von der Produktionsgeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit, mit der der Faserverbundwerkstoff die Imprägnierzone durchläuft, und der Produktionstemperatur, also der Temperatur innerhalb des Imprägnierwerkzeuges, gesenkt wird. Es zeigt sich eine deutliche Viskositätsabsenkung des Matrixkunststoffes durch die oszillierende Bewegung. Dies wird ermöglicht durch die überlagerte Beanspruchung durch die Scherströmung beim Durchlaufen und die Oszillation. Dies führt in der Matrixkunststoffschmelze zu einer besseren Entschlaufung der Polymerketten und somit zu einer geringeren Viskosität.
-
Weiterhin wird durch die oszillierende Bewegung der gemittelte Reibungskoeffizient zwischen den Fasern und dem Imprägnierwerkzeug, insbesondere der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche, gesenkt, wodurch eine längere Imprägnierzone möglich ist ohne die Fasern mechanisch zu schädigen.
-
Es wird eine gleichmäßigere Benetzung der Fasern erreicht, welche einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes haben und somit auf dessen Einsatzfeld als Strukturverstärkungen. Weitere Vorteile sind eine niedrigere Benetzungszeit durch die gesenkte Viskosität und damit einhergehend eine höhere Wirtschaftlichkeit und ein geringerer Materialausschuss durch eine erhöhte Prozessstabitität. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die oszillierende Bewegung eine vollständige Spreizung der Fasern erreicht wird. Durch die vollständige Faserspreizung im Imprägnierwerkzeug kann eine Vorbehandlung, d.h. eine Spreizung an einer externen vorgeschalteten Spreizeinrichtung, der Fasern unterbleiben. Durch Entfallen der vorgeschalteten Faserspreizung ist die mechanische Belastung der Fasern um ein vielfaches verringert, was eine erhöhte Materialgüte beim Halbzeug, also dem hergestellten Faserverbundwerkstoff, zur Folge hat.
-
Als geeignete Schwingungsanregungsmittel können eine oder mehrere Sonotroden und/oder ein oder mehrere Piezoaktoren eingesetzt werden. Diese lassen sich in hinsichtlich Frequenz und Amplitude gut elektronisch steuern oder regeln, so dass in Abhängigkeit des Verwendeten Bauteils und/oder des Verwendeten Kunststoffes die Parameter optimiert werden können.
-
Die Komprimierzone ist als Durchlaufkanal für das Durchlaufen des Faserverbundwerkstoffes ausgebildet, wobei die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche von Innenwänden des Durchlaufkanals ausgebildet ist. Derart kann von mehreren Seiten auf den Faserverbundwerkstoff Druck ausgeübt werden.
-
Ein modularer Aufbau des Imprägnierwerkzeuges kann dadurch erreicht werden, dass die Komprimierzone mehrere in Richtung des Durchlaufs hintereinander angeordnete Komprimierzonenmodule aufweist. Durch den modularen Aufbau des Imprägnierwerkzeuges ist es möglich, die physikalischen Effekte während des Imprägnierens angepasst auf die verschiedenen verwendbaren Fasern und Matrixkunststoffe anzuwenden und somit ein auf verschiedene Materialsysteme angepasstes Verfahren zu ermöglichen. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Prozesses der Schmelzdirektimpräg-inierung stark.
-
Die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche weist eine Wellengeometrie auf. Diese dient zur Erzeugung von Druckgradienten im Matrixkunststoff, wodurch die Faserspreizung innerhalb des Imprägnierwerkzeuges beeinflusst wird.
-
Durch die erfindungsgemäße oszillierende Bewegung werden die an sich, durch eine derartige Geometrie bedingten, hohen Zugkräfte im Faserverbundwerkstoff und die Reibung zwischen Fasern und Faserverbundwerkstoffkontaktfläche während des Durchlaufens durch das Imprägnierwerkzeug, welche exponentiell mit der Zunahme der Anzahl der Halbwellen (Umschlingungs- oder Imprägnierpins) der Wellengeometrie zunehmen, verringert. Dadurch wird auch in dieser Ausführungsform eine erhöhte Versagensneigung der Fasern während des Produktionsprozesses vermieden. Die Länge der Imprägnierstrecke, also die Länge der Imprägnierzone, kann gegenüber einer Herstellung ohne oszillierende Bewegung verlängert werden, da mechanische Schädigungen der Fasern vermindert oder ganz vermieden werden, was insbesondere bei sehr hochviskosen Materialien eine homogene und vollständige Benetzung der Fasern (Fasertränkung) erleichtert.
-
Ein besonders flexibler modularer Aufbau lässt sich erreichen, wenn die Komprimierzonenmodule jeweils eine Halbwelle der Wellengeometrie der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche ausbilden. Derart kann die Imprägnierung besonders einfach in einem jeweils passenden Betriebspunkt erfolgen, z.B. in Abhängigkeit eines Umschlingungswinkels, also einem Winkelbereich, der durch die Länge eines Berührungsbereiches eines Wellenberges der Wellengeometrie mit dem Faserverbundwerkstoff in Durchlaufrichtung definiert ist und/oder des Imprägnierradius, der durch die Hälfte einer Halbwellenlänge der Wellengeometrie definiert ist.
-
Wenn das Imprägnierwerkzeug zumindest eine Heizeinrichtung aufweist kann die Temperatur des Matrixkunststoffes während des Imprägnierens eingestellt werden. Insbesondere ist ein Aufheizen zur Reduktion der Viskosität möglich.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung eines Fasern und einen thermoplastischen Matrixkunststoff aufweisenden Faserverbundwerkstoffes wird ein erfindungsgemäßes Imprägnierwerkzeug eingesetzt. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - kontinuierliches Durchlaufen der Fasern und des Matrixkunststoffes durch die Komprimierzone des Imprägnierwerkzeuges und
- - Imprägnieren der Fasern mit dem Matrixkunststoff durch thermoplastisches Verformen des Matrixkunststoffes während dessen Durchlaufen der Komprimierzone unter Kontakt mit einer eine Wellengeometrie aufweisenden der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche.
-
Dabei wird eine von den Schwingungsanregungsmitteln des Imprägnierwerkzeuges in die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche induzierte oszillierende Bewegung von der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche auf den Faserverbundwerkstoff, insbesondere direkt, übertragen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Faserverbundhalbzeugen als Faserverbundwerkstoff. Zur Faserverstärkung der thermoplastischen Matrix bzw. des Matrixkunststoffes, insbesondere mit endlos vorliegenden Fasertypen, eignen sich sowohl anorganische Fasern als auch organische Fasern. Anorganische Fasern können in einigen Ausführungsformen ausgewählt sein aus Glasfasern, Metallfasern und/oder Keramikfasern. Organische Fasern können ausgewählt sein Carbonfasern, Aramidfasern, Regeneratfasern und/oder Pflanzenfasern, z.B. Hanffasern. Als Matrixkunststoff können jegliche thermoplastischen Kunststoffe, z.B. Polyolefine, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamide (PA), Phthalaldehyde (OPA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphenylenether (PPE), Polycarbonate (PC), Polyphthalamide (PPA), Polyethylenimine (PEI), Polysulfon (PSU) und/oder Polyetheretherketone (PEEK) verwendet werden.
-
Die Frequenz der oszillierenden Bewegung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung im Bereich von etwa 1 Hertz bis etwa 80 Kilohertz liegen. Die Amplitude der oszillierenden Bewegung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 6 und etwa 200 Mikrometern betragen. Hierdurch kann eine gute Viskositätsverminderung des Matrixkunststoffes erreicht werden.
-
Besonders gut eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von einem unidirektional verstärkten thermoplastischen Band als Faserverbundwerkstoff.
-
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein erfindungsgemäßes modular aufgebautes Imprägnierwerkzeug.
-
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Imprägnierwerkzeug 1 gezeigt. Das Imprägnierwerkzeug 1 weist eine Komprimierzone 2 auf, die als Durchlaufkanal für das Durchlaufen eines Faserverbundwerkstoffes 5 ausgebildet ist, wobei die Innenwände des Durchlaufkanals Faserverbundwerkstoffkontaktflächen 7 ausbilden. Der aus insbesondere unidirektionalen, endlosen Fasern 8 und einem Matrixkunststoff 9 gebildete Faserverbundwerkstoff 5 läuft mit einer Produktionsgeschwindigkeit, die durch Blockpfeile mit Pfeilrichtung in Durchlaufrichtung symbolisch dargestellt ist, durch die Komprimierzone 2 durch. Vor dem Einlaufen in die Komprimierzone 2 kann der Faserverbundwerkstoff 5, z.B. über Rollen geführt, aus mindestens einem Faserband 8 und einem oder mehreren Bändern des Matrixkunststoffes 9 zusammengefasst werden um für die Imprägnierung im Imprägnierwerkzeug 1 geeignet zur Verfügung zu stehen. Nach dem Durchlaufen des Imprägnierwerkzeuges 1 wird der durch Imprägnieren behandelte Faserverbundwerkstoff 5 üblicherweise aufgerollt.
-
Beim Durchlaufen der Komprimierzone 2 werden Druckkräfte von der wellenförmig ausgeführten Faserverbundwerkstoffkontaktfläche 7 bzw. von den als Faserverbundwerkstoffkontaktflächen 7 ausgebildeten Wänden des Durchlaufkanals auf den Matrixkunststoff 9 ausgeübt, wodurch eine Faserspreizung bewirkt wird. Die Druckkräfte resultieren aus der Bewegung des Faserverbundwerkstoffes 5 durch den Durchlaufkanal. Dabei bewirkt die wellenförmige Oberfläche der Faserverbundwerkstoffkontaktflächen 7 einen Durchlaufwiderstand und daraus folgend eine Verformung des Matrixkunststoffes 9 während dessen Durchlaufen durch die Komprimierzone 2, was eine Imprägnierung der Fasern 8 mit dem Matrixkunststoff 9 bewirkt. Die Komprimierzone 2 wird deshalb auch als Imprägnierzone bezeichnet.
-
Eine Anregung des Imprägnierwerkzeuges 1 findet über als Sonotroden und/oder Piezoaktoren ausgebildete Schwingungsanregungsmittel 15 statt, wodurch eine oszillierende Bewegung in das Imprägnierwerkzeug 1 und damit auch in die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche 7 induziert wird. Die oszillierende Bewegung ist in der Figur durch zwei kreuzförmige Blockpfeile im Bereich unter den Schwingungsanregungsmitteln 15 symbolisch dargestellt. Die oszillierende Bewegung wird über die Faserverbundwerkstoffkontaktfläche 7 in den Faserverbundwerkstoff 5 übertragen, was eine weitere Absenkung der Viskosität des Matrixkunststoffes 9 bewirkt.
-
Die oszillierende Bewegung kann in alle drei Raumrichtungen, auch überlagert, stattfinden, um eine maximal mögliche Viskositätsenkung des Matrixkunststoffes 9 und Verbesserung der Faserverteilung der Fasern 8 zu ermöglichen. Die Frequenz der oszillierenden Bewegung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 15 Hz und etwa 100 Hz liegen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Frequenz der oszillierenden Bewegung zwischen etwa 1 kHz und etwa 10 kHz liegen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Frequenz der oszillierenden Bewegung zwischen etwa 20 kHz und etwa 80 kHz liegen. Die Amplitude der oszillierenden Bewegung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 6 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Amplitude der oszillierenden Bewegung zwischen etwa 25 Mikrometern und etwa 100 Mikrometern liegen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Amplitude der oszillierenden Bewegung zwischen etwa 100 Mikrometern und etwa 200 Mikrometern liegen. Hierdurch kann in einigen Ausführungsformen gewährleistet werden, dass die Fasern 8 während einer Neuorientierung durch die oszillierende Bewegung übereinander „springen“ können, da der Durchmesser von Carbonfasern üblicherweise bei ca. 6 Mikrometern und der Durchmesser von Glasfasern üblicherweise bei ca. 16 Mikrometern liegt.
-
Eine weitere Reduktion der Viskosität des Matrixkunststoffes 9 kann durch Aufheizen des Imprägnierwerkzeuges 1 mittels einer Heizeinrichtung 17 erfolgen. Die Heizeinrichtung 17 kann mit elektrischer Energie und/oder einem Brennstoff und/oder mit Dampf betrieben werden. Optional kann eine elektrische oder eine elektronische Steuerung oder Regelung durch Temperaturregelungsmittel erfolgen.
-
Weiter weist das Impränierwerkzeug 1 einen modularen Aufbau auf. Dazu ist die Komprimierzone 2 aus mehreren in Durchlaufrichtung des Faserverbundwerkstoffes 5 hintereinander angeordneten Imprägnierzonenmodulen 18 zusammengefügt. Jedes Imprägnierzonenmodul 18 bildet dabei jeweils eine Halbwelle der Wellengeometrie der Faserverbundwerkstoffkontaktfläche 7 aus. Es können insbesondere unterschiedlich ausgeformte Imprägnierzonenmodule 18 hintereinander angeordnet sein. Es bildet jedes Imprägnierzonenmodul 18 jeweils ein Imprägnierpin aus. Der modulare Aufbau ermöglicht, die Verfahrensparameter an die Materialkomponenten, d.h. die Art der Fasern 8 und/oder des Matrixkunststoff 9, flexibel anzupassen. Der modulare Aufbau ermöglicht eine Variation der Imprägnierpins, welche einen Imprägnierradius z.B. von etwa 10 mm bis etwa 100 mm aufweisen. Auch die Länge der Imprägnierstrecke, also die Länge der Komprimierzone 2 in Durchlaufrichtung, ist dadurch z.B. zwischen etwa 10 mm bis etwa 1500 mm variabel. Der modulare Aufbau lässt sich je nach verwendetem Matrixmaterial 9 und benötigter Herstellungszeit variieren.
-
Derart ist ein modulares oszillierendes Hochleistungsimprägnierwerkzeug zur wirtschaftlichen Fertigung von unidirektional endlosverstärkten thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen 5 und Halbzeugen realisiert.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist.
