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Die vorliegende Erfindung betrifft ein zeit- und kostensparendes Verfahren sowie eine effiziente Vorrichtung zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils.
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Kohlefaserverstärkte Kunststoffbauteile zeichnen sich durch hohe Festigkeiten und eine gute Steifigkeit bei geringem Eigengewicht aus und sind daher für Bauteile in Leichtbauweise bestens geeignet. Sie sind durch unterschiedliche Herstellungsverfahren erhältlich, beispielsweise durch RTM-Verfahren oder auch 3D-Druckverfahren. Allen konventionellen Verfahren ist gemein, dass sie sehr komplex sind und hohe Zykluszeiten erfordern.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils anzugeben, das sich durch eine zeitlich gestraffte Verfahrensführung und damit durch eine hohe Kosteneffizienz auszeichnet. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit gleichbleibend guter Qualität bei geringem Zeit- und Kostenaufwand ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils gelöst, das nachfolgende Schritte umfasst. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Kohlefaserroving, also ein Faserbündel aus Kohlenstofffasern, gespreizt. Das Spreizen erfolgt bei einer Temperatur von 150°C bis 200°C mit einer Spannung von 2 bis 5 N. Das Spreizen dient der Optimierung der Anordnung der Fasern im Kohlefaserroving und erleichtert zudem ein gleichförmiges Auftragen von Harzmaterial in einem späteren Verfahrensschritt. Der Kohlefaserroving wird durch den Spreizvorgang auf eine definierte Geometrie (Breite und Dicke) und ein definiertes Flächengewicht gebracht, so dass er eine gleichförmige Struktur erhält. Damit diese erhalten bleibt ist eine Temperatur von mindestens 150°C und eine angelegte Spannung von mindestens 2 N erforderlich. Im Anschluss an das Spreizen wird der gespreizte Kohlefaserroving auf eine Temperatur unterhalb von 125°C und insbesondere auf eine Temperatur von 40 bis 80°C abgekühlt. Dies kann durch aktives Kühlen oder aber durch einfaches Auskühlenlassen des Kohlefaserrovings ausgeführt werden.
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Ist die gewünschte Temperatur erreicht, wird ein durch UV-Licht härtbares Harzmaterial auf den gespreizten Kohlefaserroving aufgebracht. Ein durch UV-Licht härtbares Harzmaterial im Sinne der Erfindung enthält ein Reaktivharz, das durch eine Polymerisationsreaktion, beispielsweise eine radikalische Polymerisationsreaktion, eine ionische Polymerisationsreaktion, eine Polyadditionsreaktion oder Polykondensationsreaktion härtet, also vernetzt, wobei die Vernetzungsreaktion durch UV-Licht initiiert bzw. ggf. auch unterhalten wird. Besonders gut geeignet sind durch kationische Polymerisation vernetzende, also härtende Reaktivharze. Daneben kann das härtbare Harzmaterial weitere Additive enthalten, wie z. B. Härter, Brandhemmer, Fluss- oder Verdickungsmittel, farbgebende Substanzen, Trennmittel, Zähmodifizierer, Katalysatoren, Reaktionsinitiatoren oder Reaktionsbeschleuniger.
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Durch die gespreizte Form des Rovings verteilt sich das härtbare Harzmaterial schnell und gleichförmig auf dem Roving und durchtränkt diesen homogen. Das Auftragen des härtbaren Harzmaterials kann somit in kurzer Zeit ausgeführt werden.
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Im Anschluss daran wird ein Härten des härtbaren Harzmaterials ausgeführt. Das Härten findet unter Verwendung von zwei oberhalb und unterhalb des Kohlefaserrovings in gleichmäßigem Abstand vom Kohlefaserroving angeordnete UV-Lampen statt, während der Kohlefaserroving auf einer Temperatur unterhalb von 125°C gehalten wird. Dieses Vorgehen bietet mehrere Vorteile. Durch die Kombination von thermischer Strahlung und UV-Strahlung wird die Reaktionszeit, die für ein Aushärten des härtbaren Harzmaterials mit gewünschtem Härtegrad erforderlich ist, deutlich verkürzt. Die Temperaturanwendung bei einer Temperatur unterhalb von 125°C ist alleine nicht ausreichend um die Härtungsreaktion auszuführen, sie hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Beweglichkeit der Reaktanden im Harzmaterial. Während die UV-Strahlung die Härtungsreaktion initiiert, unterstützt die Temperaturbehandlung deren Fortlauf. Die Polymerisation, die üblicherweise eine Kettenreaktion ist, läuft dadurch schneller und vollständiger und somit insgesamt effizienter ab. Eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 40 bis 80°C hat sich als vorteilhaft im Lichte einer vereinfachten und energieeffizienten Verfahrensführung herausgestellt.
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Durch die Kombination aus thermischer Strahlung und UV-Strahlung ist der Härtungsprozess genau steuerbar, so dass ein gehärtetes kohlefaserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem Härtegrad erhalten wird, der so hoch ist, dass eine Deformation bei der Weiterverarbeitung unterbunden wird, der aber auch so gering ist, dass eine Weiterverarbeitung beispielsweise unter Bildung eines Laminats oder durch Umpressen wie z. B. in einem formgebenden Prozess möglich wird. Eine Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß hergestellten kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils kann beispielsweise mittels 3D-Druckverfahren erfolgen.
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Um die Gleichförmigkeit der Härtung zu unterstützen sind die UV-Lampen oberhalb und unterhalb des Kohlefaserrovings und hierbei in jeweils gleichem Abstand vom Kohlefaserroving angeordnet. Die Härtungsreaktion kann hierdurch zeitlich gestrafft aber dennoch gleichförmig ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch eine zeitlich gestraffte Verfahrensführung aus, und ist damit für die Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit hoher Taktung bei geringem Kostenaufwand geeignet.
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Der Vollständigkeit halber sei angeführt, dass weitere Verfahrensschritte das Verfahren komplettieren können. Beispielsweise kann der gehärtete Kohlefaserroving in eine Form abgelegt und umgeformt oder aber in mehrschichtiger Anordnung in Form eine Laminats verpresst oder gedruckt werden.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das Verfahren kann kontinuierlich oder statisch ausgeführt werden. Im ersten Fall wird eine Kohlefaserroving bereitgestellt, der sodann gespreizt, mit härtbarem Harzmaterial getränkt und danach gehärtet wird, wobei immer Teilabschnitte des Kohlefaserrovings nacheinander die erfindungsgemäßen Schritte durchlaufen, ohne dass der Kohlefaserroving abgelängt wurde. Beispielsweise wechseln sich hier Verfahrensbereiche mit hoher Temperatur von 150°C bis 200°C und niedriger Temperatur von unterhalb 125°C und insbesondere von 40°C bis 80°C ab, wobei in den Verfahrensbereichen mit hoher Temperatur ein Spreizen des Kohlefaserrovings vorgenommen wird und in den Verfahrensbereichen mit niedriger Temperatur die Härtung unter UV-Licht-Bestrahlung stattfindet. Diese Verfahrensführung eignet sich somit insbesondere dann, wenn der gehärtete Kohlefaserroving vor der Weiterverarbeitung bevorratet, beispielsweise aufgewickelt werden soll. Soll der gehärtete Kohlefaserroving z. B. sofort weiterverarbeitet werden, beispielsweise in einem formgebenden Verfahren, so ist es von Vorteil, wenn der Kohlefaserroving vor dem Spreizen auf eine geeignete Länge zugeschnitten wird. So können gehärtete Kohlefaserrovingabschnitte mit gleicher geometrischer Gestalt erhalten werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Spreizen des Kohlefaserrovings durch Einspannen des Kohlefaserrovings zwischen zwei beheizbare Rollen ausgeführt wird. Die Rollen sind hierbei wärmeleitend ausgeführt, insbesondere in Form von Metallrollen wie Kupferrollen oder Aluminiumrollen. Diese übertragen Wärme sehr gut und gleichmäßig auf den zwischen den Rollen eingespannten Kohlefaserroving. Durch das Einspannen, das so ausgeführt wird, dass der Kohlefaserroving in Faserrichtung mit beiden Rollen in Kontakt gelangt, kann die Wärmeübertragung gleichmäßig auf alle im Roving enthaltene Fasern erfolgen. Die Rollen werden in Längsrichtung parallel zueinander angeordnet, so dass der Kohlefaserroving sich beim Einspannen nicht verzieht. Eine metallische Ausführung der Rollen, insbesondere als Kupferrollen oder Aluminiumrollen, hat zudem den Vorteil, dass die Wärme durch Anlegen von Strom an die Rollen ausgeführt werden kann, was eine sehr gute Temperaturführung ermöglicht. Kupferrollen haben sich aufgrund ihrer besonders guten wärmeleitenden Eigenschaften als bevorzugt herausgestellt.
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Weiter vorteilhaft wird das Spreizen durch Wickeln eines Endes des Kohlefaserrovings um einen motorbetriebenen Wickeldom und Einstellen der Spannung durch Einstellen einer entsprechenden Motorleistung ausgeführt, während das andere Ende des Kohlefaserrovings fixiert wird. Diese Verfahrensführung hat sich insbesondere auch für eine kontinuierliche Prozessführung als vorteilhaft herausgestellt, da somit ein Teilabschnitt des Kohlefaserrovings nach dem anderen durch Drehbewegung des Wickeldoms der jeweils nachfolgenden Verfahrensstation zugeführt werden kann.
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Um einem Verziehen des Kohlefaserrovings während der Verarbeitung vorzubeugen ist es ferner von Vorteil, wenn die Rollen an einem Rahmen fixiert werden. Vorteilhaft umläuft der Rahmen die Rollenanordnung, so dass deren jeweilige Enden mit dem Rahmen verbunden werden können.
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Je geringer der Abstand zwischen den Rollen ist, desto einfacher ist eine gleichförmige Temperaturübertragung auf den zwischen den Rollen angeordneten Kohlefaserroving. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Rollen in einem Abstand von etwa 20 cm voneinander beabstandet angeordnet werden.
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Die Wärmebehandlung sowohl bei Temperaturen von 150°C bis 200°C als auch von unterhalb 125°C und insbesondere von 40°C bis 80°C kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Vorteilhaft wird das Beheizen des Kohlefaserrovings jedoch ausschließlich durch die beheizbaren Rollen ausgeführt, da somit der gerätetechnische Aufwand reduziert und damit auch die Verfahrensführung an sich vereinfacht werden kann.
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Eine besonders effiziente Verfahrensführung ist dann gegeben, wenn als UV-Lampen LED-Lampen verwendet werden. LED-Lampen haben eine hohe Lichtleistung bei geringem Stromverbraucht. Um die UV-Härtungsreaktion optimal zu beschleunigen, senden die LED-Lampen insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm aus.
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Hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit lässt sich vorteilhaft durch ein Einstellen des Faservolumengehaltes im kohlefaserverstärkten Kunststoffbundbauteil erzielen. Vorzugsweise wird somit eine Menge des durch UV-Licht härtbaren Harzmaterials so ausgewählt, dass ein Faservolumengehalt des kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Härten 40 bis 60 Vol.% und insbesondere 50 Vol.%, beträgt.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils beschrieben. Hierbei sei ausgeführt, dass diese Vorrichtung geeignet ist das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Ergänzend wird somit auch auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
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Die Vorrichtung umfasst eine Spreizvorrichtung zum Spreizen eines Kohlefaserrovings mit einer Spannung von 2 bis 5 N, eine Heizvorrichtung zum Beheizen des Kohlefaserrovings sowohl auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C als auch auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich unterhalb von 125°C und insbesondere auf eine Temperatur von 40°C bis 80°C, eine Applikationseinrichtung zum Aufbringen eines durch UV-Licht härtbaren Harzmaterials auf den Kohlefaserroving und eine UV-Licht-Anordnung, die zwei oberhalb und unterhalb des zu härtenden Kohlefaserrovings in gleichmäßigem Abstand vom Kohlefaserroving angeordnete UV-Lampen umfasst.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können mit hoher Taktung zeit- und energieeffizient kohlefaserverstärkte Kunststoffbauteile von hoher qualitativer Güte bei reduziertem Kostenaufwand hergestellt werden. Dies wird insbesondere durch das Vorsehen der Spreizvorrichtung und der Kombination aus Heizvorrichtung und UV-Licht-Anordnung erzielt, die ein gleichmäßiges Applizieren von härtbarem Harzmaterial auf den Kohlefaserroving und ein schnelles Härten desselben ermöglichen.
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Die Vorrichtung ist sowohl zum Ausführen eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils als auch zum Ausführen eines statischen (Batch-to-Batch) Verfahrens geeignet. Das Spreizen kann besonders einfach mit ausreichender Spannung ausgeführt werden, wenn die Spreizvorrichtung einen motorbetriebenen Wickeldom umfasst. Durch Einstellen einer entsprechenden Motorleistung wird ein Ende des Rovings durch Aufwickeln gespannt, während das andere Ende fixiert wird.
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Ist es vorgesehen, dass der gehärtete Kohlefaserroving bevorratet werden soll, so ist es vorteilhaft, wenn die Spreizvorrichtung zwei Ablenkrollen umfasst, mit deren Hilfe der Kohlefaserroving zunächst der Spreizvorrichtung zugeführt und nach dem Härtevorgang von der UV-Licht-Anordnung abgeleitet werden kann. Weitere Ablenkrollen zur Verbesserung des Transports und der Führung des Rovings können vorgesehen sein.
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Um eine gleichmäßig Temperaturübertragung auf den Kohlefaserroving zu fördern, umfasst die Heizvorrichtung vorzugsweise zwei beheizbare Rollen. Hierbei sind Rollen aus Metall aufgrund der üblicherweise guten Wärmeleitung bevorzugt. Zudem kann somit die Wärme einfach durch Anlegen von Strom an die Rollen ausgeführt werden. Besonders geeignet sind Kupferrollen oder Aluminiumrollen, wobei Kupferrollen aufgrund der besonders guten wärmeleitenden Eigenschaften bevorzugt sind.
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Eine durch den Kohlefaserroving besonders gleichmäßig ziehende Wärmeleitung kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erzielt werden, in der die Rollen in einem Abstand von etwa 20 cm voneinander beabstandet und in Längsrichtung der Rollen parallel zueinander angeordnet und insbesondere an einem Rahmen fixiert sind. Die Fixierung ist dabei auch der Stabilisierung der Rollenanordnung zuträglich.
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Weiter vorteilhaft im Lichte einer effizienten Verfahrensführung weist die UV-Licht-Anordnung eine Intensität von 3 bis 4 W/cm2 auf. Hierdurch kann die Härtungsreaktion binnen kurzer Zeit mit gewünschtem Härtegrad ausgeführt werden.
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Zur Erhöhung der Energie- und Kosteneffizienz umfasst die UV-Licht-Anordnung vorteilhaft mindestens eine LED-Lampe und insbesondere ausschließlich LED-Lampen, wobei eine LED-Lampe insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm aussendet.
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Die Vorrichtung kann besonders energie- und kosteneffizient betrieben werden wenn das durch UV-Licht härtbare Harzmaterial ein Epoxidharz und einen Härter umfasst.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben. Hierbei sind nur die erfindungswesentlichen Aspekte und Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Alle übrigen Aspekte und Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Im Detail zeigt 1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils 1 aus einem Kohlefaserroving 10, der in Pfeilrichtung D bewegt wird.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Spreizvorrichtung 2. Die Spreizvorrichtung 2 wird verwendet um einen Kohlefaserroving 10 mit einer Spannung von 2 bis 5 N zu spreizen während dieser auf einer Temperatur von 150°C bis 200°C gehalten wird. Die Spreizvorrichtung umfasst einen motorbetriebenen Wickeldom und zwei Ablenkrollen 5 mittels denen der Kohlefaserroving 10 gestreckt gehalten und unter der angelegten Spannung in die Länge gezogen, also gespreizt wird. Die Geometrie des Kohlefaserrovings 10 wird durch den Spreizvorgang optimiert. Um den Spreizvorgang zu fördern wird ein Ende des Kohlefaserrovings 10 fixiert. Dies erfolgt in 1 durch das Bereitstellen des Kohlefaserrovings 10 von einer Vorratsrolle 6, die drehbar aber auch feststellbar gelagert ist.
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Zum Spreizen trägt auch das Führen des Kohlefaserrovings 10 über eine Heizvorrichtung 3 bei, die zwei wärmeleitende Rollen 4, z. B. Kupferrollen, umfasst. Über die Rollen 4 kann der Kohlefaserroving 10 ebenfalls gezogen und gespreizt werden. Hierzu ist der Kohlefaserroving 10 zwischen den Rollen 4 eingespannt. Die Rollen 4 sind vorteilhaft in einem Abstand C von etwa 20 cm voneinander beabstandet und in Längsrichtung parallel zueinander angeordnet.
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Sowohl die Rollen 4 als auch die Ablenkrollen 5 sind an einem Rahmen 12 fixiert, so dass ihre geometrische Anordnung dauerhaft stabilisiert wird, ohne die Rotation der Rollen 4, 5 zu beeinträchtigen.
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Zum Beheizen des Kohlefaserrovings 10 wird durch die Heizvorrichtung 3 an die Rollen 4 ein Strom angelegt, der die Rollen 4 und damit den Kohlefaserroving 10 erwärmt.
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Nach dem Spreizen des Kohlefaserrovings 10 bei einer Temperatur von 150°C bis 200°C unter einer Spannung von 2 bis 5 N wird durch die Applikationseinrichtung 8 ein durch UV-Licht härtbares Harzmaterial 9 auf den Kohlefaserroving 10 aufgebracht. Die Applikationseinrichtung 8 kann z. B. in Form einer Sprühvorrichtung, oder einer Rakel- oder Pinselvorrichtung ausgebildet sein.
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Das härtbare Harzmaterial 9 durchtränkt den Kohlefaserroving 10 und wird anschließend durch die UV-Licht-Anordnung 11 gehärtet. Die UV-Licht-Anordnung 11 umfasst eine erste UV-Lampe 13, die oberhalb des zu härtenden Kohlefaserrovings 10 angeordnet ist und eine zweite UV-Lampe 14, die unterhalb des zu härtenden Kohlefaserrovings 10 angeordnet ist. Die erste UV-Lampe 13 ist mit einem Abstand A von der Oberseite des Kohlefaserrovings 10 beabstandet. Die zweit UV-Lampe 14 ist mit einem Abstand B von der Unterseite des Kohlefaserrovings 10 beabstandet. Die Abstände A und B sind gleich groß, so dass die UV-Lampen 13, 14 in gleichmäßigem Abstand vom Kohlefaserroving 10 angeordnete sind um eine gleichförmige Härtungsreaktion zu bedingen.
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Nach dem Passieren der UV-Licht-Anordnung 11, der in Fördervorrichtung D folgenden Rolle 4 und der Ablenkrolle 5 wird der gehärtete Kohlefaserroving 15 auf einen motorbetriebenen Wickeldom 7 geleitet und dort aufgerollt. Der Wickeldom 7 erfüllt hierbei die Funktion der Bevorratung des gehärteten Kohlefaserrovings 15 und auch die Spreizfunktion des Kohlefaserrovings 10.
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Die Vorrichtung 1 zeichnet sich durch eine kompakte, platzsparende Bauweise, eine energie- und zeiteffiziente Anwendung und damit auch durch eine hohe Kosteneffizienz aus. Das durch die Vorrichtung 1 ausführbare Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand mit hoher Taktung umsetzbar.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Herstellung eine kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteils
- 2
- Spreizvorrichtung
- 3
- Heizvorrichtung
- 4
- Rolle
- 5
- Ablenkrolle
- 6
- Vorratsrolle
- 7
- Wickeldom
- 8
- Applikationseinrichtung
- 9
- Harzmaterial
- 10
- Kohlefaserroving
- 11
- UV-Licht-Anordnung
- 12
- Rahmen
- 13
- erste UV-Lampe
- 14
- zweite UV-Lampe
- 15
- gehärteter Kohlefaserroving
