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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Faserverbundwerkstoffs, der beispielsweise im Fahrzeugbau und/oder Flugzeugbau und/oder der Bauindustrie verwendbar ist.
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Transparente Werkstoffe, wie beispielsweise Glasscheiben oder Verbundglas, werden in einem breiten Spektrum von Nischenanwendungen im Anlagenbau bis hin zu Massenanwendungen im Mobilitätssektor eingesetzt. Solche Glasscheiben weisen jedoch mit einer Dichte von ca. 2,6 g/cm3 (Gramm pro Kubikzentimeter) ein hohes Gewicht auf. Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und/oder Schadstoffemissionen ist die Reduktion des Gewichts der Fahrzeuge, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge und/oder Schienenfahrzeuge, von besonderer Bedeutung. Jedoch stehen bislang keine Werkstoffe zur Verfügung, die ausreichend transparent, hochfest, leicht, frei formbar, schalldämmend und/oder recycelbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Faserverbundwerkstoffs anzugeben, mit dem besonders transparente, hochfeste, leichte, frei formbare, akustisch dämmende und/oder recycelbare Faserverbundwerkstoffe herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Faserverbundwerkstoffs bei, das zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- a) gerichtete Ablage von Glasfaserfilamenten mit einem rechteckigen Querschnitt auf einer thermoplastischen Folie oder Faseranordnung;
- b) Spreizen der Glasfaserfilamente; und
- c) Fixieren der Glasfaserfilamente auf der thermoplastischen Folie.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein transparenter Faserverbundwerkstoff als Halbzeug bereitgestellt werden, das nach einer angepassten Weiterverarbeitung beispielsweise im Fahrzeugbau, im Flugzeugbau und/oder im Baugewerbe verwendbar ist.
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In Schritt a) erfolgt eine gerichtete Ablage von Glasfaserfilamenten mit einem rechteckigen Querschnitt auf einer thermoplastischen Folie und/oder einer thermoplastischen Faseranordnung. Hierzu können die Glasfaserfilamente und/oder die thermoplastische Folie und/oder einer thermoplastischen Faseranordnung insbesondere in einem kontinuierlichen Prozess einem Ablageort bzw. einer Bearbeitungsstation zugeführt werden. Die Zuführung der Glasfaserfilamente kann insbesondere in Form sogenannter Rovings erfolgen, bei denen es sich um Bündel bzw. Stränge aus einer Vielzahl von parallel angeordneten Glasfaserfilamenten (Endlosfasem) handelt. Hierzu kann mindestens eine Führungsvorrichtung und/oder Ablagevorrichtung eingesetzt werden, mittels der die Glasfaserfilamente (automatisiert und/oder kontinuierlich) auf der thermoplastischen Folie / thermoplastischen Faseranordnung ablegbar sind. Unter „gerichtet“ ist insbesondere zu verstehen, dass die einzelnen Glasfaserfilamente zueinander (insbesondere im Wesentlichen parallel) ausgerichtet auf der thermoplastischen Folie / thermoplastischen Faseranordnung abgelegt bzw. (bevorzugt im Wesentlichen parallel) zueinander auf der thermoplastischen Folie / thermoplastischen Faseranordnung ausgerichtet werden.
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Mindestens eine Mehrzahl oder Vielzahl der Glasfaserfilamente weisen einen (im Wesentlichen) rechteckigen oder (nahezu) rechtwinkligen bzw. flachen Querschnitt auf, sodass der Querschnitt insbesondere nicht rund ist. „Rechtwinklig“ heißt in diesem Sinne insbesondere, dass relativ flache bzw. ebene vier Kanten vorgesehen sind. Diese müssen nicht exakt senkrecht oder spitz aufeinander zulaufen, sondern es können im Übergangsbereich auch (lokale) Rundungen vorgesehen sein. Bevorzugt ist, dass alle abgelegten Glasfaserfilamente einen (im Wesentlichen) rechteckigen oder (nahezu) rechtwinkligen bzw. flachen Querschnitt aufweisen. Mit einem solchen Querschnitt wird auch bei hohen Temperaturschwankungen im Bereich von beispielsweise -40 °C (Grad Celsius) bis +80 °C ein ungestörter Strahlenverlauf durch den transparenten Faserverbundwerkstoff ermöglicht.
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Die thermoplastische Folie / thermoplastischen Faseranordnung besteht insbesondere zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, bei dem es sich beispielsweise um eine Auswahl aus den folgenden Kunststoffarten handeln kann: Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonate (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetherimid (PEI). Der thermoplastische Kunststoff kann zudem weitere Komponenten bzw. Bestandteile umfassen. Die thermoplastische Folie / thermoplastischen Faseranordnung kann weiterhin quer zu einer Längsrichtung und/oder Zuführrichtung eine Breite von beispielsweise 20 cm (Zentimeter) bis maximal 300 cm, insbesondere maximal 150 cm oder maximal 80 cm aufweisen.
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Eine thermoplastische Faseranordnung kann z. B. eine Lage, ein Gelege, ein Gestrick, ein Vlies, ein Gewebe aus thermoplastischen Fasern sein. Eine thermoplastische Faseranordnung kann ein flächiges Gebilde mit einem (mittelbaren oder unmittelbaren) Zusammenhalt der Fasern sein. Ein solches flächiges Gebilde kann hinsichtlich der hier vorgeschlagenen Verfahrensschritte gleich bzw. ähnlich wie eine thermoplastische Folie gehandhabt werden. Daher werden nachfolgend die weiteren Schritte und Verwendungen vorrangig anhand der Verwendung bzw. des Einsatzes der thermoplastische Folie erläutert, diese sind aber gleichermaßen auch mit der thermoplastischen Faseranordnung ausführbar, soweit hier nichts anderes explizit angemerkt ist.
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In Schritt b) werden die Glasfaserfilamente bzw. ein vorbestimmter Verbund an Glasfaserfilamenten gespreizt. „Spreizen“ bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass die Anordnung der Glasfaserfilamente in der Art verändert wird, dass diese in einer größeren Anzahl nebeneinander und/oder in einer gemeinsamen Ebene positioniert werden. Werden die Glasfaserfilamente beispielsweise mit einem Roving bereitgestellt, wird insbesondere die Anordnung der Glasfaserfilamente quer zu einer Längsrichtung der Glasfaserfilamente, insbesondere in einer Breitenausdehnung des Rovings, vergrößert und/oder erhöht. Mit anderen Worten kann das bedeuten, dass das Roving auf einen Querschnitt gebracht wird, der in einer Breite quer zur Längsrichtung der Glasfaserfilamente größer und seiner (vertikalen) Dicke kleiner ist als der ungespreizte Roving. Beispielsweise wird aus einem Roving mit einem runden Querschnitt beim Spreizen ein Roving mit einem bandförmigen bzw. flachen Querschnitt. Die Verbreiterung wird z. B. dadurch erreicht, dass sich die Glasfaserfilamente des Rovings quer zur Längsrichtung der Glasfaserfilamente verteilen, sodass im Idealfall eine Glasfaserschicht entsteht, in der (im Wesentlichen) alle Glasfaserfilamente vorzugsweise (ausschließlich) parallel nebeneinander (und insbesondere in einer Ebene) vorliegen. Die Spreizung kann in einem kontinuierlichen Prozess und/oder bereits vor der Ablage und/oder während der Ablage auf der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastischen Faseranordnung erfolgen, das heißt zumindest teilweise vor und/oder zumindest teilweise während Schritt a).
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In Schritt c) werden die Glasfaserfilamente und die thermoplastische Folie bzw. thermoplastische Faseranordnung miteinander fixiert. Die Fixierung der Glasfaserfilamente und der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnung erfolgt insbesondere durch eine Erwärmung der Glasfaserfilamente und der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnung auf eine Temperatur, die insbesondere über einem Schmelzpunkt der thermoplastischen Folie und unterhalb eines Schmelzpunkts der Glasfaserfilamente liegt. Die Temperatur kann beispielsweise +150 °C bis +400 °C, bevorzugt +160 °C bis +340 °C betragen. Bei der Fixierung der Glasfaserfilamente werden diese insbesondere in die thermoplastische Folie eingeschmolzen. Bei der Fixierung kann der transparente Faserverbundwerkstoff entstehen. Die thermoplastische Folie bzw. thermoplastische Faseranordnung kann somit die Matrix und die Glasfaserfilamente die Verstärkungsfasern des transparenten Faserverbundwerkstoffs darstellen. Die Fixierung der Glasfaserfilamente erfolgt bevorzugt in einem kontinuierlichen Prozess, beispielsweise indem die Glasfaserfilamente und die thermoplastische Folie bzw. thermoplastische Faseranordnung durch eine Heizvorrichtung geführt werden. Vor einer Weiterverarbeitung des transparenten Faserverbundwerkstoffs kann dieser später abgekühlt werden, beispielsweise auf eine Raumtemperatur von ca. +20 °C. Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise mittels entsprechender Umformeinrichtungen und/oder Umformmaschinen erfolgen.
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Der derart hergestellte transparente Faserverbundwerkstoff weist bei vergleichbarer Transparenz eine bis zu zehnmal höhere Festigkeit als gewöhnliche Glasscheiben auf. Der Transparenzgrad des transparenten Faserverbundwerkstoffs beträgt insbesondere über 95 %, die Dichte weniger als 2 g/cm3 und/oder die Zugfestigkeit über 1.000 MPa (Megapascal). Der transparente Faserverbundwerkstoff kann bis zu 100 % recycelbar und hochgradig umformbar ausgeführt sein. Er ist daher insbesondere als Leichtbaumaterial im Fahrzeugbau, Flugzeugbau oder im Baugewerbe verwendbar. Beispielsweise ist der transparente Faserverbundwerkstoff für Windschutzscheiben, große Flugzeugfenster, Dachstrukturen von Zügen, Fassadenelemente oder Ähnliches verwendbar.
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In einem nach Schritt c) stattfindenden Schritt d) kann eine Mehrzahl thermoplastischer Folien bzw. thermoplastische Faseranordnungen übereinandergeschichtet und (ggf. unmittelbar) danach in einem Schritt e) miteinander verbunden werden. Durch das Übereinanderschichten der thermoplastischen Folien kann eine Dicke des herzustellenden transparenten Faserverbundwerkstoffs beeinflusst bzw. eingestellt werden. Die Verbindung der einzelnen thermoplastischen Folien kann durch eine Erwärmung der thermoplastischen Folien mit den eingeschmolzenen Glasfaserfilamenten auf eine Temperatur erfolgen, die insbesondere über dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Folie und unterhalb des Schmelzpunkts der Glasfaserfilamente liegt. Die Temperatur kann ebenfalls beispielsweise +150 °C bis +400 °C, bevorzugt +160 °C bis +340 °C betragen. Die thermoplastischen Folien können beispielsweise derart übereinandergeschichtet werden, dass die Glasfaserfilamente benachbarter thermoplastischer Folien parallel zueinander oder mit einem Winkel zueinander verlaufen, wobei der Winkel beispielsweise 10° bis 90°, bevorzugt 30° betragen kann. Weiterhin können die thermoplastischen Folien derart übereinandergeschichtet werden, dass die Glasfaserfilamente benachbarter thermoplastischer Folien parallel und versetzt zueinander verlaufen. Das kann zum Beispiel bedeuten, dass die Glasfaserfilamente der einen thermoplastischen Folie „auf Lücke“ zu den Glasfaserfilamenten der anderen thermoplastischen Folie verlaufen, das heißt zueinander versetzt sind bzw. in einem Bereich angeordnet sind, in dem keine Glasfaserfilamente in der anderen thermoplastischen Folie angeordnet sind.
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Vor Schritt a) kann ein erster Brechungsindex der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnungen an einen zweiten Brechungsindex der Glasfaserfilamente angepasst werden. Der Brechungsindex ist eine optische Materialeigenschaft, die angibt, um welchen Faktor die Wellenlänge und die Phasengeschwindigkeit des Lichts kleiner sind als im Vakuum. Die Anpassung des Brechungsindex der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnungen erfolgt insbesondere bei der Herstellung der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnungen, beispielsweise durch eine gezielte Mischung („blending“) verschiedener (thermoplastischer) Kunststoffe, aus denen die thermoplastische Folie bzw. thermoplastische Faseranordnungen hergestellt ist. Die Anpassung des ersten Brechungsindex der thermoplastischen Folie bzw. thermoplastische Faseranordnungen erfolgt insbesondere derart, dass der erste Brechungsindex der thermoplastischen Folie (im Wesentlichen) dem zweiten Brechungsindex der Glasfaserfilamente entspricht. Der Temperaturmittelpunkt, bei dem ein identischer Brechungsindex vorliegt, soll insbesondere +20 °C betragen, so dass das positive Verhalten für einen Einsatz des Faserverbundwerkstoffes in einem Temperaturbereich von -40 °C bis + 80 °C geeignet ist.
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In Schritt b) kann das Spreizen der Glasfaserfilamente das Spreizen der Glasfaserfilamente mittels zumindest einer der nachfolgenden Maßnahmen erfolgt: Einsatz einer Spreizstange, Einsatz eines Vakuums, Einsatz einer Druckluft, Einsatz eines Ultraschalls, Einsatz eines Expanders, Einsatz einer Schlagstange, Einsatz einer Nadel, Einsatz eines Luftschalls, Einsatz von elektrischer Aufladung. Diese der Maßnahmen bzw. Methoden werden zumindest zeitweise währen Schritt b) durchgeführt und betreffen zumindest eine vorgebbare Anzahl bzw. die Mehrheit der Glasfaserfilamente. Im Anschluss werden diese Maßnahmen beispielhaft erläutert:
| Spreizmaßnahme | Beispielhafte Erläuterung: |
| Spreiz stange | Der Roving wird mechanisch über Reibung durch einen Umschlingungswinkel um eine Stange gespreizt. |
| Vakuum | Der Roving wird mittels Unterdruck angesaugt und geöffnet. |
| Druckluft | Der Roving wird mittels Druckluft geöffnet. |
| Ultraschall | Ultraschallwellen versetzen die Glasfaserfilamente in Schwingungen. |
| Expander | Die Glasfaserfilamente werden auf sich auffächernde elastische Bänder gedrückt und dadurch gespreizt. |
| Schlagstange | Die Glasfaserfilamente werden mittels wiederaufsetzenden Reibkörpern gespreizt. |
| Nadel eingriff | Die Glasfaserfilamente werden mittels Nadeln auseinandergezogen. |
| Luftschall | Schallwellen versetzen die Glasfaserfilamente in Schwingung. |
| Elektrisch | Die Glasfaserfilamente stoßen sich aufgrund einer elektrischen / elektrostatischen Aufladung ab. |
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Zusätzlich kann das Spreizen durch mindestens einen der folgenden Prozesse unterstützt werden: Entschlichten, Wärmeeinbringung, Vibration.
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Bei einer Spreizstange handelt es sich insbesondere um eine (horizontal angeordnete) (Metall-)Stange, über die die Glasfaserfilamente geführt werden. Die dabei in den Glasfaserfilamenten entstehende Normalkraft führt zu der Spreizung.
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Ein Schlagrad ist drehbar angeordnet und umfasst eine Mehrzahl von Spreizstangen, die sich mit dem Schlagrad um eine Drehachse drehen. Die Glasfaserfilamente werden über das Schlagrad geführt, sodass die dabei entstehende Normalkraft zu einer Spreizung führt.
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Als Luftdüsen können insbesondere Gegenstromdüsen bzw. Venturidüsen verwendet werden, mittels derer insbesondere eine turbulente Luftströmung erzeugbar ist. Diese turbulente Luftströmung unterstützt die gewünschte Neu- bzw. Umordnung der Glasfaserfilamente.
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Vibrationen können insbesondere durch Schallvibration und/oder Luftvibration erzeugt werden. Die Vibrationen können dabei beispielsweise mittels einer Lautsprechermembran erzeugt werden. Diese Vibrationen unterstützen die gewünschte Neu- bzw. Umordnung der Glasfaserfilamente.
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In Schritt c) kann das Fixieren der Glasfaserfilamente auf der thermoplastischen Folie mittels Wärme (z. B. mittels Konvektion, (Infrarot-)Strahlung und/oder Kontakt) erfolgen.
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Die einzelnen Glasfaserfilamente können jeweils eine Diagonale von 5 µm (Mikrometer) bis 100 µm aufweisen. Die Diagonale der einzelnen Glasfaserfilamente bezieht sich dabei insbesondere auf eine maximalen Diagonale des Querschnitts. Bevorzugt weisen die einzelnen Glasfaserfilamente eine Breite von 20 µm bis 80 µm, bevorzugt circa 40 bzw. ca. 50 µm, und/oder eine Höhe von 5 µm bis 30 µm, bevorzugt 10 µm auf. Das Verhältnis zwischen der Breite und der Höhe beträgt vorzugsweise (mindestens) 5:1.
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In Schritt b) können die Glasfaserfilamente bis 5 µm voneinander beabstandet werden. Der Abstand wird bevorzugt vergrößert bzw. vergleichmäßigt. Der (vergrößerte) Abstand muss nicht bezüglich aller benachbarter Glasfaserfilamente vorliegend. In Schritt b) können die Glasfaserfilamente so voneinander beabstandet werden, dass deren Abstand benachbart zueinander im Bereich von 0 µm bis 5 µm. Gegebenenfalls kann auch ein Mindestabstand vorgesehen sein.
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Nach Schritt c) kann die thermoplastische Folie mit den Glasfaserfilamenten gelagert werden. Zur Lagerung kann die thermoplastische Folie mit den Glasfaserfilamenten insbesondere aufgerollt werden.
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Weiter wird die Verwendung eines nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten transparenten Faserverbundwerkstoffs zum Aufbau zumindest einer der folgenden Komponenten vorgeschlagen: Windschutzscheibe für ein Kraftfahrzeug, Fenster eines Flugzeuges, Fenster eines Zuges, Dachstruktur eines Zuges, Fassadenelement oder Schutzumwehrung eines Bauwerks. Zur Charakterisierung des hergestellten transparenten Faserverbundwerkstoffs können die angeführten Gestaltungs- und/oder Funktionsmerkmale einzeln oder (zumindest teilweise) in Kombination miteinander herangezogen werden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der 1 näher erläutert. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Querschnitt durch einen transparenten Faserverbundwerkstoff.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen transparenten Faserverbundwerkstoff 1. Der transparente Faserverbundwerkstoff 1 weist eine Mehrzahl von übereinandergeschichteten thermoplastischen Folien 4.1, 4.2 (bzw. thermoplastischen Faseranordnungen) auf, in denen eine Mehrzahl von Glasfaserfilamenten 2 mit einem rechteckigen Querschnitt 3 eingeschmolzen sind. Der Querschnitt 3 der einzelnen Glasfaserfilamente 2 weist eine Diagonale 5 auf. Weiterhin sind die einzelnen Glasfaserfilamente 2 in den einzelnen thermoplastischen Folien 4.1, 4.2 mit einem Abstand 6 voneinander beabstandet. Die Glasfaserfilamente 3 erstrecken sich in einer Längsrichtung, die senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 verläuft.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein transparenter Faserverbundwerkstoff herstellbar, der sich durch besonders hohe Transparenz, Festigkeit, Leichtigkeit, Verformbarkeit und Recycelbarkeit auszeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundwerkstoff
- 2
- Glasfaserfilamente
- 3
- Querschnitt
- 4.1, 4.2
- thermoplastische Folie oder Faseranordnung
- 5
- Diagonale
- 6
- Abstand
