DE102017130341A1

DE102017130341A1 - Verfahren zur herstellung von sandwichbauteilen mit faserverstärkten decklagen

Info

Publication number: DE102017130341A1
Application number: DE102017130341.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Seidlitz; Niklas Vogt; Sebastian Fritzsche
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: DE102017130341B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit mindestens einer faserverstärkten Decklage. Mithilfe des Verfahrens können die Sandwichbauteile samt Kern, Decklage und vorzugsweise mindestens einem Insert in einem Formwerkzeug werkzeugfallend hergestellt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Sandwichbauteil sowie ein System zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit mindestens einer faserverstärkten Decklage. Mithilfe des Verfahrens können die Sandwichbauteile samt Kern, Decklage und vorzugsweise mindestens einem Insert werkzeugfallend in einem Formwerkzeug hergestellt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Sandwichbauteil sowie ein System zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Hintergrund und Stand der Technik
Sandwichbauteile sind Bauteile aus festen Decklagen, die einen weicheren, typischerweise leichten Kern umhüllen. Komplex geformte Sandwichbauteile mit faserverstärkten Decklagen werden in der Automobilindustrie, dem Schienenfahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt sowie im Windkraftanlagenbau verwendet. Darüber hinaus sind in allen Bereichen des Leichtbaus Anwendungen von Sandwichbauteilen möglich. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität sind zu Erhöhung der Reichweite leichte Sandwichbauteile zur Senkung des Fahrzeuggewichts und damit des Energiebedarfs wünschenswert.
Zur Herstellung großflächiger und komplex geformter Sandwichbauteile sind Verfahren mit vielen manuellen Arbeitsschritten unter hoher Materialausnutzung bekannt. Derzeit werden die Komponenten eines Sandwichbauteils einzeln hergestellt, dazu sind viele, teils manuelle Arbeitsschritte notwendig. Besonders bei komplex geformten Kerngeometrien ist eine spanende Bearbeitung mit viel Verschnitt und langen Prozesszeiten bekannt, bei der die Kerne teils aus mehreren Teilstücken bestehen. Die Deckschichten bzw. Decklagen müssen oft separat, teils in aufwendigen Verfahren unter hohem Druck in speziellen Formpressen unter Ausnutzung eines Autoklaven oder unter Vakuum hergestellt werden. Dabei entstehen oft hohe Kosten bei der Herstellung und es bestehen geringe Automatisierungspotentiale.
Bei der Herstellung von Kernen in einer eigenen Werkzeugform, beispielsweise beim PUR-Schäumen, können nicht gleichzeitig mechanisch belastbare Decklagen erzeugt werden. Solche müssen aufwendig in einem eigenen Verfahren hergestellt werden und dann mit dem Kern verbunden werden. Somit ist solch ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aufwendig und bietet nur mittleres Automatisierungspotential.
Bei den vorgenannten Herstellungsverfahren von Sandwichbauteilen ist es des Weiteren nicht möglich, Inserts während des Verfahrens in die Bauteile zu integrieren. Ein Insert ist ein funktionales Element, welches bei der Herstellung des Sandwichbauteils vorgefertigt vorliegt. Eine Integration muss aufwendig im Nachhinein vorgenommen werden, wobei die Stabilität der Inserts und des gesamten Bauteils gegenüber äußeren Kräften geringer ist, als bei einer vorteilhafterweise bionischen Integration während der Herstellung.
Mit dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren werden die Prozessschritte der Kernherstellung, der Decklagenherstellung und der Verbindung des Kerns mit den Decklagen in einem Prozess vereint. Das Verfahren ist des Weiteren zur Automatisierung sehr gut geeignet.
Aus der DE 102012013538 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen bekannt, bei dem Deckschichten in einem Werkzeug an gegenüberliegenden Werkzeugflächen im Abstand voneinander gehalten werden. In dem entstandenen Freiraum wird ein flüssiges, schäumbares Material injiziert, welches sich mit den Deckschichten zu einem Sandwichbauteil verbindet. Nachteilig ist, dass kein Verfahren beschrieben wird, welches gleichzeitig ermöglicht, aus Verstärkungsfasern eine faserverstärkte Decklage herzustellen. Das Einbringen von Inserts innerhalb des Verfahrens wird ebenfalls nicht beschrieben.
In der EP 2018948 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen beschrieben, bei dem schrittweise erst ein Faserwerkstoff und dann ein schäumbares Material in ein Werkzeugunterteil eingelegt werden müssen. Anschließend wird das Werkzeug mit dem Oberteil geschlossen. Bei diesem Verfahren wird ein geeignetes Material zur Herstellung einer faserverstärkten Decklage schon zusammen mit den Verstärkungsfasern im Voraus eingebracht. Ein werkzeugfallendes Einbringen von geeignetem Material zur Herstellung einer faserverstärkten Decklage ist nicht bekannt. Außerdem ist das Einlegen des schäumbaren Materials in das Werkzeug ein zusätzlicher, umständlicher und fehleranfälliger Arbeitsschritt. Das Einbringen von Inserts während des Verfahrens ist nicht offenbart.
Die US 20140083596 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Decklage versehenen Schaumkerns durch Platzierung und Aktivierung eines festen, aktivierbaren Materials in einer Aussparung. Hierbei wird jedoch nicht innerhalb des Verfahrens eine faserverstärkte Decklage produziert. Ebenfalls werden keine Inserts im Verfahren eingebracht.
Die WO 9641715 A1 erläutert ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus PolyurethanKunststoffen. Dabei wird in einem ersten Schritt ein flüssiges, nicht schäumfähiges PUR-RIM-System in das Werkzeug eingebracht. Danach wird in einem zweiten Schritt ein zweites, schäumfähiges Material in das Werkzeug dosiert. Neben der Festlegung der verwendeten Materialien hat dieses Verfahren den Nachteil, dass keine geeigneten Verstärkungsfasern in die Decklage eingebracht werden können. Durch das so spezifizierte Verfahren sind die Einflussmöglichkeiten auf die Beschaffenheit der Decklage eingeschränkt. Außerdem ist eine Integration von Inserts in die Formteile nicht vorgesehen.
Die WO 2009/053253 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Sandwichstruktur mit zwei Deckschichten, wobei nach Einlegen der Deckschichten ein Kernmaterial in die geschlossene Spritzgießform eingespritzt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Herstellung einer faserverstärkten Decklage nicht selbst Teil des Verfahrens ist. Ebenso nachteilig ist, dass das Einbringen von Inserts in die Struktur nicht vorgesehen ist.
Aus der WO 2012013393 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffschaumverbundformkörpers bekannt, bei dem eine oder mehrere Deckschichten und ein festes Poly(meth)acrylimidcopolymer in eine Form eingebracht werden und anschließend das feste Poly(meth)acrylimidcopolymer geschäumt wird. Bei diesem Verfahren muss der feste, zu schäumende Kern in einem zusätzlichen, umständlichen Arbeitsschritt vorher eingebracht werden. Außerdem ist das Kernmaterial festgelegt. Die Deckschicht wird nicht während des Verfahrens erzeugt, ein Einbringen von Inserts ist nicht beschrieben.
Es sind also keine Verfahren bekannt, um ein Sandwichbauteil mit mindestens einer faserverstärkten Decklage, werkzeugfallend, also innerhalb eines Verfahrensschritts herzustellen. Die werkzeugfallende Integration von Inserts, welche zur Lasteinleitung genutzt werden können, ist im Stand der Technik ebenfalls nicht beschrieben. Insbesondere ist keine bionische, besonders stabile Integration von Inserts beschrieben.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches die kostengünstige Herstellung eines großflächigen und komplexen Sandwichbauteils mit mindestens einer faserverstärkten Decklage ermöglicht. Das Verfahren sollte möglichst wenige Arbeitsschritte insbesondere manueller Natur umfassen und die Integration von möglichst bionischen Inserts ermöglichen.
Kennzeichnung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen, wobei

- Verstärkungsfasern zur Herstellung mindestens einer faserverstärkten Decklage an mindestens einer Innenwand eines Formwerkzeugs wirkverbunden werden,
- der Hohlraum zwischen den Verstärkungsfasern mittels injizierten oder vorapplizierten schäumenden Materials gefüllt wird,
- nach der Injektion und/oder Vorapplikation des schäumenden Materials ein geeignetes Material unter hohem Druck in die Randbereiche des Formwerkzeugs eingebracht wird und die Verstärkungsfasern infiltriert, um mit dieser mindestens eine faserverstärkte Decklage aus einem Faser-Kunststoff-Verbund zu bilden, und
- wobei das entstandene Sandwichbauteil nach dem Aushärten durch Öffnen des Formwerkzeugs entformt wird.

Definitionen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Unter Sandwichbauteilen sind bevorzugt Verbundbauteile aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien und/oder Strukturen zu verstehen. Sandwichbauteile im Sinne der Erfindung bezeichnen Bauteile, die einen Kern aus geschäumtem Material aufweisen sowie eine äußere Deckschicht, welche stabil und/oder massiv ist.
Unter faserverstärkter Decklage ist vorzugsweise eine äußere Deckschicht zu verstehen, welche zusätzlich mit textilen Fasern verstärkt wurde. Der so gebildete Faser-Kunststoff-Verbund ist gleichzeitig leicht und fest. Die Eigenschaft „leicht“ manifestiert sich in erster Linie in einer geringen Dichte, hier sind Dichten von 1,5 bis 2,5 g/cm³ vorteilhaft. „Fest“ bezeichnet vor allem eine hohe Bruchfestigkeit und Steifigkeit. Die Bruchfestigkeit in Zugrichtung beträgt im Sinne der Erfindung bevorzugt 500 bis 3000 MPa, in Druckrichtung bevorzugt 100 bis 1500 MPa. Die Steifigkeit wird durch das E-Modul beschrieben und beträgt bevorzugt 20000 MPa bis 300000 MPa. Ein Faser-Kunststoff-Verbund ist vornehmlich ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix, welche die Fasern bettet. „Betten“ bedeutet in der Hauptsache, dass die Fasern räumlich positioniert und/oder fixiert werden. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, beispielsweise gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Das durch die textilen Fasern verstärkte Material der faserverstärkten Decklage ist bevorzugt Kunststoff. Mit Kunststoff ist vorteilhafterweise ein Werkstoff gemeint, welcher Polymere umfasst. Die Verstärkungsfasern leiten etwaige auf die Decklage einwirkende Kräfte. Da die Fasern eine höhere Steifigkeit als die Matrix haben, wird die Last bzw. Kraft entlang der Fasern geleitet.
Es kann bevorzugt sein, dass das Sandwichbauteil eine Decklage umfasst, welche das Sandwichbauteil ganz oder teilweise umschließt. Das Sandwichbauteil kann aber auch vorzugsweise mehrere Decklagen umfassen. Mehrere Decklagen können insbesondere mehrere einschichtige Decklagen, die das Sandwichbauteil ganz oder teilweise umschließen und/oder mehrere Schichten von Decklagen sein. Mehrere Decklagen können bevorzugt aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Beispielsweise können in den Decklagen unterschiedliche Fasermaterialien, wie z. B. Glas oder Keramik und/oder unterschiedliche geeignete Materialien für die Kunststoffmatrix, wie Polyetheretherketon oder Melaminharz, verwendet werden.
Eine Faser ist insbesondere ein lineares Gebilde, das aus einem Faserstoff besteht und eine Faserform aufweist, wobei die Längsform z. B. glatt oder kraus und die Querschnittsform beispielsweise rund oder eckig ist. Fasern können in Längsrichtung Zug-, aber keine Druckkräfte aufnehmen. Mit Fasern sind vor allem extrem dünne Fäden von einigen Mikrometern Durchmesser bezeichnet. Es können vorteilhafterweise organische, anorganische, synthetische Fasern und/oder Naturfasern verwendet werden. Die verwendeten Fasern können beispielsweise Glasfasern sein. Es können in erster Linie eine Vielzahl einzelner, loser Fasern eingesetzt werden. „Textil“ bezeichnet insbesondere Rohstoffe, welche durch verschiedenste Verfahren zu linien-, flächenförmigen und/oder räumlichen Gebilden verarbeitet werden können. „Textile Fasern“ gehören bevorzugt zu dieser Kategorie.
Es können aber auch in der Hauptsache Faserhalbzeuge als Verstärkungsfasern für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Mit Faserhalbzeug sind bevorzugt zusammengefasste Fasern gemeint, die insbesondere als ein Gewebe, Gelege, Gesticke, Geflechte und/oder als Matte miteinander wirkverbunden sind.
Mit „Gewebe“ sind in der Hauptsache verwebte Fasern gemeint. Mit „verwebt“ ist vorteilhafterweise das wirkverbinden von Fasern zu einem flächigen Element gemeint, wobei die Fasern mindestens zwei Fasersystemen zugeordnet werden, und die Fasern aus diesen Fasersystemen miteinander im Wesentlichen rechtwinklig verkreuzt werden. Mit „Gelege“ ist vorteilhafterweise mindestens eine Lage grundsätzlich parallel orientierter Fasern gemeint, welche miteinander wirkverbunden sind. Dies kann z. B. durch punktuelles Verkleben, insbesondere mithilfe eines quer zur Orientierung der Fasern vorhandenen Elements aus Papier oder Faden geschehen.
„Gesticke“ bezeichnet vor allem Fasern, die mittels Durchziehen oder Aufnähen z.B. mit einem Vlies verbunden sind. Ein Vlies bezeichnet vornehmlich ein flächiges Element mit im Wesentlichen der Form des Faserhalbzeugs, welches beispielsweise textile Materialien, insbesondere Fasern, umfasst.
„Geflechte“ meint vorteilhafterweise durch Ineinanderschlingen und/oder Verschränken miteinander wirkverbundene Fasern.
„Matten“ bezeichnen bevorzugt Fasern, die über ein Bindemittel, beispielsweise einem Klebstoff, in Verbindung zueinander stehen.
Mit „Formwerkzeug“ ist vor allem ein Werkzeug zur Herstellung des Sandwichbauteils gemeint, welches aus mindestens zwei Teilen besteht, die im geschlossenen Zustand, bei dem sie miteinander in Verbindung gebracht werden, einen Hohlraum umschließen, deren Umriss der äußeren Form des Sandwichbauteils entspricht. Dabei kann bevorzugt sein, dass die Verstärkungsfasern an der Innenwand des Formwerkzeugs positioniert sind und der Hohlraum durch die Verstärkungsfasern außen begrenzt wird.
Mit „Innenwand des Formwerkzeugs“ ist bevorzugt die innere Fläche gemeint, die den umschlossenen Hohlraum im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs nach außen begrenzt.
Mit „Verstärkungsfasern an mindestens einer Innenwand eines Formwerkzeugs wirkverbinden“ wird vorteilhafterweise verstanden, die Fasern mit geeigneten Mitteln an mindestens einer Innenwand zu fixieren. Geeignete Mittel sind vor allem Haftmittel wie beispielsweise Schrauben, Nieten, Klemmen, Nägel, Magnete, Saugvorrichtungen und/oder Kleber.
Injektion bedeutet im Sinne der Erfindung vor allem das Einspritzen des schäumenden Materials in den vom Formwerkzeug im geschlossenen Zustand gebildeten Hohlraum. Dass Einspritzen kann bevorzugt unter hohem Druck vorgenommen werden, aber auch eine Einspritzung bei niedrigen Drücken kann vorteilhaft sein. Das injizierte Material kann vorzugsweise aus einem separaten Tank mittels geeigneter Schläuche oder Röhren in das Innere des Formwerkzeugs geleitet werden. Der dabei für das Injizieren notwendige Druck kann beispielsweise durch einen Kompressor erzeugt werden.
Vorapplizieren meint bevorzugt, dass das zu schäumende Material bereits vor dem Schließen des Formwerkzeugs in das Formwerkzeug eingebracht wurde.
Schäumendes Material bezeichnet bevorzugt ein Material, welches vor und/oder nach der Injektion, instantan und/oder zu einem späteren Zeitpunkt, einen Schaumstoff bildet. Schaumstoffe sind vornehmlich Stoffe mit zellartiger Struktur. Insbesondere sind Schaumstoffe kolloidchemische Systeme aus gasgefüllten, kugel- oder polyederförmigen Zellen, die durch flüssige, halbflüssige, hochviskose oder feste Zellstege begrenzt sind. Bei festen Schaumstoffen bilden vornehmlich feste Zellstege die Gerüstsubstanz. Typischerweise haben Schaumstoffe mit den über ihre ganze Masse verteilten, offenen und/oder geschlossenen Zellen eine effektive Dichte, die niedriger ist als die Dichte der Gerüstsubstanz. Schaumstoff kann grob- und/oder feinzellig sein und die Zellen können kugel- und/oder wabenförmig geformt sein. Das schäumende Material kann beispielsweise Polyole und Polyisocyanate umfassen, aus denen in einer Polyadditionsreaktion Schaumstoff aus Polyurethane entsteht.
Es ist bevorzugt, dass das schäumende Material, welches einen Schaumstoff bildet, nach der Injektion und/oder Vorapplikation, zu einem Zeitpunkt, in dem das Formwerkzeug geschlossen ist, zum Schaumstoff expandiert, also sich räumlich ausdehnt und dabei im Wesentlichen den ganzen Hohlraum, welcher nicht von den Verstärkungsfasern eingenommen wird, ausfüllt. Die Aushärtung nach der Expansion erfolgt vorteilhafterweise unter den für das jeweilige schäumende Material charakteristischen Bedingungen.
Vor allem kann das schäumende Material aber auch schon vor bzw. während der Injektion und/oder Vorapplikation ein Schaumstoff sein, dessen sich weiter ausdehnende Zellen für eine Expansion sorgen. Die Expansion kann vorteilhafterweise vor dem Einbringen eines geeigneten Materials in die Randbereiche stattfinden.
Es kann aber auch erwünscht sein, dass eine Expansion erst nach dem Einbringen von geeignetem Material in die Randbereiche passiert.
Es ist vorteilhaft, dass das schäumende Material ohne äußere Einwirkung aufgrund der chemischen Beschaffenheit, der vorherrschenden Druck- und/oder Temperaturverhältnisse, expandiert.
In manchen Fällen ist bevorzugt, dass die Expansion des schäumenden Materials aktiviert werden muss, beispielsweise durch Einstellen bestimmter bevorzugter Temperaturbereiche und/oder bestimmter vorteilhafter Druckverhältnisse. Es kann ebenso erwünscht sein, Aktivierungsenergie in anderer Form zuzuführen, welche eine Expansion des schäumenden Materials bedingt.
Nach der Expansion des schäumenden Materials wird ein geeignetes Material unter hohem Druck in die Randbereiche des Formwerkzeugs eingebracht und die Verstärkungsfasern werden infiltriert, um mit dieser mindestens eine Decklage aus einem Faser-Kunststoff-Verbund zu bilden. Geeignetes Material im Sinne der Erfindung ist ein Matrixrohstoff. Im Folgenden werden beide Begriffe synonym verwendet. Mit geeignetem Material kann vornehmlich ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material gemeint sein. Thermoplastische Materialien sind bevorzugt Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Ein Beispiel für ein thermoplastisches Material ist Polyetheretherketon. Duroplastische Materialien bezeichnen in erster Linie Kunststoffe, die sich nach dem Aushärten nicht mehr umformen lassen. Duroplastische Materialien können eine Mischung aus Harz und Härter sein. Ein bevorzugtes duroplastisches Material ist Epoxidharz. Die Randbereiche des Formwerkzeugs sind vor allem die äußeren Begrenzungsbereiche des vom geschlossenen Formwerkzeug umschlossenen Hohlraums. Bevorzugt liegen in diesen Randbereichen die Verstärkungsfasern vor.
Das Einbringen unter hohem Druck in die Randbereiche bezeichnet in erster Linie eine Einspritzung oder Einbringung, die gezielt in den Randbereichen stattfindet, beispielsweise durch Anbringung von Einspritzdüsen in der Innenwand des Formwerkzeuges. Diese sollten vor allem so ausgeformt sein und in die Innenwand integriert werden, dass sie der Ausbildung einer glatten Oberfläche der faserverstärkten Decklage nicht entgegenstehen. Der vorteilhafterweise verwendete hohe Druck bezeichnet den auf das Material beim Einbringen ausgeübte Druck, welcher bevorzugt mehrere bar, besonders bevorzugt 1 bis 10 bar, ganz besonders bevorzugt 10 bar bis 1000 bar, insbesondere mindestens 1000 bar beträgt. Die Druckeinheit bar bezeichnet bevorzugt ungefähr den Luftdruck auf Meereshöhe, ganz besonders bevorzugt entspricht ein bar 10⁵ kg/(m·s²) bzw. 100 kPa.
Das geeignete Material wird in erster Linie durch einen oder mehrere Angüsse in die Werkzeugform eingebracht. Mit Anguss ist bevorzugt der Zuführungskanal des geeigneten Materials in das Innere des Formwerkzeugs gemeint. Die Anzahl der Angüsse ist insbesondere abhängig von der Komplexität der Bauteilgeometrie, der Viskosität des Matrixrohstoffs und der gewünschten Prozesszeit. Die Angusstechnologien sind weitgehend identisch mit denen des Resin Transfer Moulding-Verfahrens (RTM-Verfahrens), bei dem bevorzugt zur Herstellung eines Formteils ein Material mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle bzw. Zuführungskanäle in eine Form eingespritzt wird und dann unter Verwendung von Wärme und Druck ausgehärtet wird. Weit verbreitet ist dabei beispielsweise ein sogenannter Ringanguss, bei welchem die Matrix über einen Spalt in der Trennebene zwischen den Werkzeugformhälften in das Werkzeug gelangt. Aber auch einfache Punktangüsse sind möglich, dabei handelt es sich um eine einfache Bohrung zur Innenseite des Werkzeugs, welche als Zuführungskanal dient. Die Infiltration der Decklagen kann dann von wenigen Punkten aus erfolgen. Der Matrixrohstoff fließt dann durch die Decklagen um den Schaumkern herum und benetzt die Fasern vollständig. Zu beachten ist der bevorzugte Zeitpunkt der Harzinjektion bzw. Rohstoffinjektion: Diese erfolgt bevorzugt erst nach der Expansion des Schaumkerns, um einen Überfluss an Matrixmaterial und damit zusätzlichem Gewicht zu verhindern. Die Vernetzungs- und Aushärtereaktion des schäumenden Material muss jedoch bevorzugt nicht zwingend vollständig abgeschlossen sein, da durch eine parallele Aushärtung von Matrix und Schaumkern die Verbindung dieser beiden Verbundkomponenten verbessert werden kann. Der benötigte Druck ist von der Viskosität der Matrix und der gewünschten Prozesszeit abhängig. Bei Epoxidharzen kann dies auch schon bei niedrigen Drücken von 1 - 2 bar erfolgen. Wird eine thermoplastische Matrix verwendet, müssen deutlich höhere Drücke (ca. 300 bar), wie beispielsweise beim Spritzgießen, vorliegen.
Dabei wird das geeignete Material vorteilhafterweise durch den hohen Druck zwischen die Fasern eingebracht und umhüllt so die Fasern im Wesentlichen allseitig, insbesondere auch an Stellen, in denen die Fasern sehr dicht aneinander liegen und/oder die Fasern in Gestalt von Faserhalbzeugen miteinander wirkverbunden sind.
Dabei ist bevorzugt, dass das eingebrachte, geeignete Material die Verstärkungsfasern infiltriert, das bedeutet in erster Linie, dass das geeignete Material aufgrund des hohen Drucks in die Fasern selber eindringt. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Fasern selber aus textilem Material bestehen und/oder für Flüssigkeiten durchlässig oder porös sind.
Es ist bevorzugt, dass das Material beim Einbringen in einem flüssigen Zustand vorliegt. Es kann aber auch in einem gelartigen Zustand sein. Gelartig bedeutet, dass die Fluideigenschaften vorteilhafterweise zwischen denen einer Flüssigkeit und eines Festkörpers liegen.
Vorzugsweise wird nach dem Einbringen des geeigneten Materials unter hohem Druck in die Randbereiche und der Infiltration der Verstärkungsfasern ein Faser-Kunststoff-Verbund gebildet, aus dem in der Hauptsache die mindestens eine faserverstärkte Decklage hervorgeht.
Es ist bevorzugt, dass das für diesen Prozess wesentliche Aushärten instantan oder nach einer kurzen Zeitdauer ohne zusätzliches Zutun stattfindet.
Das Aushärten kann aber auch vornehmlich unter für diesen Prozess geeigneten Bedingungen, beispielsweise durch bestimmte Druckverhältnisse und/oder Temperaturbereiche, welche über eine bestimmte Zeitdauer eingestellt werden müssen, ablaufen. Insbesondere wenn das geeignete Material ein duroplastisches Material ist und die Härtung über Kondensation (Kondensationsharze) erfolgt, sind beispielsweise Temperaturen zwischen 100 °C und 200 °C und hohe Drücke zum Aushärten erforderlich. Die Drücke können im Bereich von 1 bar bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 10 bar bis 100 bar und insbesondere im Bereich 100 bar bis 1000 bar liegen.
Bei Polymeren, die durch Polyaddition oder Kettenpolymerisation aushärten (Reaktionsharze), wie beispielsweise Epoxidharzen, Methacrylatharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Isocyanatharzen und Phenacrylatharzen, sind auch Aushärtungsprozesse bei im Wesentlichen Atmosphärendruck und je nach Härte angepassten Temperaturen möglich. Bevorzugte Bereiche liegen hier bei 20 °C bis 50 °C bzw. 50 °C bis 100 °C, es kann aber auch eine Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C vorteilhaft zum Aushärten sein.
Vorteilhafterweise wird das entstandene Sandwichbauteil nach dem Aushärten durch Öffnen des Formwerkzeugs entformt. Aushärten bezeichnet bevorzugt das Erreichen des festen, finalen Zustands des Sandwichbauteils. Damit ist vor allem gemeint, dass während eines Zeitpunktes des Verfahrens flüssige und/oder gasförmige Komponenten des Sandwichbauteils fest geworden sind und bevorzugt den Zustand ihrer maximalen Festigkeit erreicht haben. Entformen bezeichnet bevorzugt das Herauslösen des gehärteten Materials aus der Form. Es kann vorteilhafterweise durch das Öffnen des Formwerkzeugs geschehen. Es kann aber auch durch die Verwendung beispielsweise von Ausstoßern, Flachausstoßern, Abstreifern, durch Schieber oder Schrägausstoßer vorgenommen werden. Ein Entformen kann auch durch Auswerfen durch Druckluft, Wasser oder ein anderes hydraulisches Medium sinnvoll vorgenommen werden.
Die Erfindung beseitigt auf überraschende Weise die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile. Insbesondere kann in einem Verfahren ein Sandwichbauteil mitsamt einer faserverstärkten Decklage hergestellt werden. Es können so ohne den Aufwand anderer Verfahren und ohne unnötige, manuelle Zusatzschritte komplex geformte, leichte und stabile Sandwichbauteile hergestellt werden. Insbesondere kann die Herstellung zum großen Teil besonders einfach vollautomatisiert werden. Es bestehen zusätzlich viele Einflussmöglichkeiten, um die Beschaffenheit des Sandwichbauteils zu steuern, wie beispielsweise die Wahl des Kern- und Decklagenmaterials inklusive der verwendeten Fasern sowie die beim Einspritzen und Aushärten angewendeten Drücke und Temperaturen.
Es kann auch bevorzugt sein, mindestens ein Insert in dem Formwerkzeug wirkverbunden zu positionieren, und zwar bevor und/oder nachdem die Verstärkungsfasern in das Formwerkzeug eingebracht werden. Unter Insert ist bevorzugt ein funktionales Element gemeint, welches schon vorgefertigt vorliegt und bei der Herstellung des Sandwichbauteils lediglich in dieses integriert wird. Es wird dazu vor der Herstellung in das Formwerkzeug eingebracht. Ein Insert besitzt typischerweise eine zusätzliche Funktionalität. Ein Insert kann beispielsweise ein Element sein, welches ein Wirkverbinden mit anderen Elementen, im Besonderen anderen Sandwichbaueilen, ermöglicht. Ein Insert kann z. B. eine Tragflächenaufhängung ermöglichen, um eine Flugzeugtragfläche in Sandwichbauweise aufzuhängen. Das Insert kann vorzugsweise mit einem Innengewinde zum Zusammenfügen mit einem anderen Bauteil versehen sein. Vorteilhafterweise ist ein Insert stabil und so ausgeformt und in dem Sandwichbauteil fixiert, dass große Kräfte ohne Zerstörung über das Insert in das Sandwichbauteil geleitet werden können.
Mit „Insert wirkverbunden in dem Formwerkzeug positionieren“ ist in erster Linie gemeint, dass das Insert vor dem Schließen des Formwerkzeugs innerhalb des von der Innenwand des Formwerkzeugs begrenzten Raums an die Stelle gebracht und dort festgemacht wird, wo es sich auch im fertigen Sandwichbauteil befinden soll. Wirkverbinden heißt bevorzugt miteinander verbinden. Damit kann neben einem unmittelbaren Verbinden auch ein mittelbares Verbinden gemeint sein. Unter wirkverbunden ist bevorzugt zu verstehen, dass das Insert fixiert und gegen Verrutschen, Verschieben, Verdrehen und Verkippen gesichert wird. Dies kann vornehmlich direkt an der Innenwand des Formwerkzeugs, beispielsweise mit geeigneten Haftmitteln wie Schrauben, Nieten, Klemmen, Nägeln, Magneten, Saugvorrichtungen und/oder mit Kleber geschehen.
Diese Vorzugsvariante hat den Vorteil, dass so durch Integration des mindestens einen Inserts ein funktionales Element während des Verfahrens fest in dem Sandwichbauteil verbaut werden kann. Das Insert muss nicht in einem aufwendigen Verfahren nach Herstellung des Sandwichbauteils integriert werden, beispielsweise indem ein Loch bzw. eine Aussparung in das Sandwichbauteil gebohrt oder gefräst wird und eventuell die Struktur des Bauteils geschwächt wird. Es kann so besonders gut ein Sandwichbauteil mit mindestens einem Insert, welches integraler Bestandteil des Bauteils ist, prozessintegriert und aus einem Guss bereitgestellt werden.
Dabei kann bevorzugt sein, das Wirkverbinden des mindestens einen Inserts durch Aufstecken auf eine Arretierung vorzunehmen, welche Teil des Formwerkzeugs ist. Unter Arretierung ist vor allem eine mechanische Vorrichtung zum Feststellen ansonsten beweglicher Teile gemeint. Als Arretierung können vorteilhafterweise Rasten, Sicherungsbolzen, Schrauben und Klemm- oder Spannvorrichtungen verwendet werden.
Diese Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als dass das Insert einerseits vor ungewünschten Bewegungen gesichert ist, andererseits zur Entformung des Sandwichbauteils das Insert leicht vom Formwerkzeug gelöst werden kann. Ebenso ist es vorteilhaft, dass die Arretierung Teil des Formwerkzeugs ist. So muss das Formwerkzeug nicht umgerüstet werden und es sind auch keine zusätzlichen Befestigungsmittel wie Kleber nötig. Dabei kann auch auf ein Insert und den Gebrauch der Arretierung verzichtet werden. So ist große Flexibilität bei der Herstellung der Sandwichbauteile gewährleistet.
Es ist von großem Vorteil, dass der in das Innere des Formwerkzeugs zeigende Teil des mindestens einen Inserts so ausgeformt ist, dass die Verstärkungsfasern lokal verdrängt und um die Inserts umgeleitet werden und gegen ein Abrutschen gesichert werden. Dafür ist in erster Linie eine bionische Formgestaltung des in das Innere des Formwerkzeugs zeigenden Teils des Inserts verantwortlich. Mit „bionisch gestalteten Bauteilen“ sind insbesondere Bauteile gemeint, deren Beschaffenheit von Phänomenen aus der Natur inspiriert ist. Dabei liegt z. B. die Annahme zugrunde, dass die Natur durch evolutionäre Prozesse optimierte Strukturen entwickelt hat. Die hier bevorzugte Ausformung ist so gestaltet, dass die Verstärkungsfasern so um das Insert geleitet werden, dass bei eng am Insert anliegenden Fasern nur kleinstmögliche zusätzliche mechanische Spannungen auf die Fasern im Vergleich zu in nicht um das Insert umgeleiteten Fasern einwirken. Es kann aber auch im Vordergrund stehen, dass die Fasern möglichst in stetiger Form ohne Ecken und Knickkanten um das Insert geführt werden. Natürliches Vorbild hierfür ist in erster Linie der Faserverlauf der Holzfasern in einem Baumstamm im Bereich eines Astlochs. Ebenso ist in der Hauptsache vorgesehen, dass ein Teil der Verstärkungsfasern so eng am Insert anliegt, dass auf das Insert wirkende Kräfte auf die Fasern übertragen und möglichst gleichmäßig im Bauteil verteilt werden. Damit die Fasern gegen ein Abrutschen zum genannten Querschnitt in senkrechter Richtung gesichert sind, ist zum einen bevorzugt, dass die Fläche des Inserts, an dem die Fasern anliegen, in geeigneter Weise aufgeraut oder mit Rillen in Faserlängsrichtung versehen ist, um die Haftreibung zwischen Fasern und Insert zu erhöhen. Zum anderen kann vorteilhafterweise eine beidseitige Verjüngung des Inserts in Richtung der Ebene, in der die Verstärkungsfasern liegen, vorteilhaft sein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Inserts ist es möglich, die auftretenden Kräfte in alle Einzelschichten der Decklage gleichmäßig einzuleiten.
Je nach Aufbau und Anwendung des Sandwichbauteils kann auch erwünscht sein, dass die Fasern nicht in allen Ebenen parallel zu oben genanntem Querschnitt gleichermaßen gegen ein Abrutschen gesichert werden. Dies kann zum einen durch eine in senkrechter Richtung zur Ebene der Verstärkungsfasern unterschiedlich aufgeraute Oberfläche des Inserts erzielt werden, zum anderen durch eine Verjüngung des Inserts in mindestens eine Richtung senkrecht zu der Ebene, in der die Verstärkungsfasern liegen.
Es ist bevorzugt, dass das Innere des Formwerkzeus zeigende Teil des mindestens einen Inserts mindestens ein Formelement umfasst, welches im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt aufweist, so dass die Verstärkungsfasern beim Aufschieben lokal verdrängt und um das mindestens eine Insert umgeleitet werden und gegen ein Abrutschen gesichert werden.
Das Insert hat bevorzugt einerseits eine Funktionsfläche (z.B. ein Gewinde) zur Montage an/mit anderen Bauteilen/Baugruppen, andererseits hat das Insert insbesondere einen möglichst bionisch ausgeformten Bereich, welcher die auftretenden Kräfte in die Decklagen einleitet. Dieser Bereich besteht aus Formelementen welche die Verstärkungsfasern nach dem bionischen Vorbild eines Astloches lokal verdrängen und umleiten sollen. Die Formelemente können z.B. kreisförmige, zylindrische oder ovale Querschnitte aufweisen, welche bevorzugt mindestens eine der textilen Verstärkungslagen durchdringen sollen. Mit textilen Verstärkungslagen sind bevorzugt Lagen von textilen Verstärkungsfasern gemeint. Die genaue Anzahl, Position, Länge und der Durchmesser der zylindrischen Formelemente hängt bevorzugt vom jeweiligen Lastfall und Einsatzszenario ab.
Durch diese bevorzugte Ausführungsform können die Verstärkungsfasern zur Herstellung der Decklage an mindestens einem Insert mindestens zum Teil mit dem Formwerkzeug wirkverbunden werden. Außerdem kann vorteilhafterweise das Insert sehr gut in das Sandwichbauteil integriert werden und sehr effektiv für die Einleitung von Kräften in das Sandwichbauteil stabilisiert werden, weil so die Kräfte in die Fasern geleitet und in dem Bauteil verteilt werden. Hierzu kann sowohl eine individuell angepasste Orientierung von Verstärkungsfasern als auch die bionische Ausgestaltung des Inserts genutzt werden. Zugleich kann durch die werkzeugfallende Integration eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Sandwichbauteils mit integriertem Insert realisiert werden. Werkzeugfallende Prozesse sind vor allem Prozesse, die innerhalb eines Verfahrensschritts erfolgen.
Es ist bevorzugt, dass die Verstärkungsfasern mithilfe des mindestens einen Inserts fixiert werden. Das kann insbesondere durch eine vom Insert auf die Fasern ausgeübte Kraft geschehen. Zum einen kann, wie oben beschrieben, durch die Umleitung der Fasern um das Insert und die für vergrößerte Haftreibung zwischen Insert und Fasern ausgestaltete Oberfläche des Inserts eine Kraft auf die Fasern ausgeübt werden. Insbesondere, wenn die Verstärkungsfasern in Form von Faserhalbzeugen vorliegen, welche eine größere mechanische Stabilität als einzelne Fasern aufweisen und welche der durch die Umleitung des Inserts entstehenden Kraft eine Gegenkraft entgegensetzen können, kann die vom Insert ausgehende Kraft ausreichen, um die Verstärkungsfasern ohne weitere Verbindungsmittel auch entgegen der Schwerkraft zu fixieren.
Es kann aber auch bevorzugt sein, die Verstärkungsfasern am Formwerkzeug zu fixieren, indem sie zwischen das am Formwerkzeug fixierte Insert und der Innenwand des Formwerkzeugs geklemmt werden. So können die Verstärkungsfasern besonders einfach mit dem Formwerkzeug wirkverbunden werden.
Es kann ebenso vorteilhaft sein, dass das Insert mit Hilfsmitteln zur Fixierung der Verstärkungsfasern versehen ist. Beispielsweise können Klemmen oder gegen die Schwerkraft gerichtete Auflageflächen an der mit den Fasern in Kontakt stehenden Oberfläche des Inserts angebracht sein.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Verstärkungsfasern ohne weitere Hilfsmittel fixiert werden können. Insbesondere kann in Verbindung mit dem in das Innere des Formwerkzeugs zeigende Teil des Inserts, welches bevorzugt so ausgeformt ist, dass die Verstärkungsfasern beim Aufschieben lokal verdrängt und um das mindestens eine Insert umgeleitet werden und gegen ein Abrutschen gesichert werden, ein synergistischer Effekt erzielt werden, indem zum einen ein in das Sandwichbauteil integrierte, für die Einleitung von Kräften stabilisiertes Insert bereitgestellt wird und gleichzeitig die Verstärkungsfasern besonders einfach mit dem Formwerkzeug wirkverbunden werden.
Es kann bevorzugt sein, das schäumende Material durch mindestens ein Insert in das Formwerkzeug zu injizieren. Diese Vorzugsvariante kann vor allem durch eine Einspritzdüse in der nach innen in das Formwerkzeug zeigenden Seite des mindestens einen Inserts realisiert werden, welches mit einem Behältnis für das schäumende Material verbunden ist. Auf diese Weise kann besonders einfach eine Einspritzvorrichtung für die Herstellung von Sandwichbauteilen bereitgestellt werden, welche das schäumende Material an einer gegebenenfalls für das Verfahren und die Homogenität des Kernmaterials besonders günstigen Stelle innerhalb des vom Formwerkzeug gebildeten Hohlraums, beispielsweise mittig injiziert, und zwar ohne eine Einspritzvorrichtung, die nicht Teil des Sandwichbauteils ist und hinter eventuell aufwendig entfernt werden muss.
Es ist bevorzugt, dass die Verstärkungsfasern durch eine hohe Packungsdichte der einzelnen Fasern und/oder durch das Aufbringen einer Sperrschicht vom injizierten Schaum nicht vollständig durchdrungen oder infiltriert werden. Hohe Packungsdichte bezeichnet mindestens eine Lage von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern nebeneinander an der Innenwand des Formwerkzeugs dergestalt, dass zwischen den Fasern im Wesentlichen kein Raum für das injizierte schäumende Material oder den fertigen Schaum ist. Es kann auch bevorzugt sein, dass durch sehr viele dichte Lagen von Verstärkungsfasern der Raum zwischen den Fasern für das schäumende Material beschränkt oder abgeschlossen wird. Nicht vollständig durchdringen oder infiltrieren bedeutet vor allem, dass innerhalb der Decklage der Materialanteil des schäumenden Materials weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 % und besonders bevorzugt weniger als 1 % beträgt. Ein höherer Anteil von Schaum in der Decklage als 5% ist bevorzugt unerwünscht, da ein höherer Anteil zusätzliche Schwachstellen in den Decklagen verursachen würde und die Festigkeit unnötig herabsetzen würde. Eine gewünscht hohe Elastizität wird insbesondere eher über die Dicke der Decklagen und die Faserwinkelorientierung der Verstärkungsfasern eingestellt.
In erster Linie kann in die Fasern selbst auch kein schäumendes Material oder Schaum eindringen. Dies kann beispielsweise ebenfalls durch die hohe Packungsdichte verursacht sein, indem die Fasern sich gegenseitig zusammendrücken und so etwaige Poren und Zwischenräume geschlossen werden.
Eine Sperrschicht kann vor allem eine für das schäumende Material oder den Schaumstoff undurchdringliche Schicht, beispielsweise ein Lack oder eine thermoplastische Folie sein, beispielsweise kann eine Folie aus Polyamid 6 (PA 6) ((-NH-(CH₂)₅-CO-)_n) als Sperrschicht verwendet werden. Bevorzugt ist, dass Materialien verwendet werden, die eine ähnliche Polarität wie das verwendete Schaum- und Matrixsystem haben, um eine gute Materialanbindung sicherzustellen. Polarität bezeichnet bevorzugt die durch Ladungsverschiebung in Atomgruppen entstandene Bildung von getrennten Ladungsschwerpunkten, durch welche die Neutralität der Atomgruppen aufgehoben wird. Ansonsten kann es durch die unterschiedlichen Polaritäten zu einer schlechten Anbindung kommen. Ein anschauliches Beispiel für stark unterschiedliche Polaritäten ist z.B. Wasser und Öl. Die Sperrschicht kann aber ebenfalls bevorzugt ein sehr fein verwebtes Gewebe aus Glas- oder Polyesterfasern sein. Durch die besonders enge und feine Verwebung wird ein durchdringen verhindert.
So kann eine materiell besonders homogene faserverstärkte Decklage hergestellt werden. Diese Homogenität ist besonders bezüglich der Stabilität der Decklage vorteilhaft. Mit Stabilität ist insbesondere die Bruchfestigkeit der Decklage gemeint. Es kann aber auch eine besonders vorteilhafte Elastizität durch einen angepassten Materialmix erzielt werden.
Es ist bevorzugt, dass der injizierte Schaum einzelne Schaumstoffkomponenten, vorzugsweise Polyol und Polyisocyanat umfasst, die in einer Mischdüse miteinander vermengt und in das Formwerkzeug injiziert werden. Aus der Polyadditionsreaktion von Polyolen mit Polyisocyanaten entstehen bevorzugt Polyurethane. Weiterhin ist der Reaktionsmischung vorteilhafterweise eine kleinere Menge Wasser zugefügt, welche mit einem Teil der Isocyanatgruppen reagiert, wobei Kohlenstoffdioxid (CO2) frei wird und die noch weiche Reaktionsmasse aufschäumt. Mit dieser Vorzugsvariante lassen sich sehr leicht Schaumstoffe herstellen, welche je nach Anwendung bezüglich Härtegrad und Porengröße individuell angepasst werden können. Diese Anpassung kann beispielsweise durch Beimischung anderer Stoffe oder durch Kontrolle der stöchiometrischen Zusammensetzung erfolgen.
Dabei ist bevorzugt, dass die Schaumstoffkomponenten bei einer Reaktion und/oder Aktivierung zu einem Schaum, welcher den Hohlraum zwischen den Verstärkungsfasern der Decklagen ausfüllt, expandieren. Mit expandieren wird eine räumliche Ausdehnung bzw. Volumenvergrößerung der Schaumstoffkomponenten gemeint. Beispielsweise können sich durch chemische Reaktion und/oder durch Beimischung gasgefüllte Zellen ausbilden, die durch Zellstege begrenzt sind und somit einen Schaumstoff bilden. Vorteilhafterweise kann das schäumende Material aber auch schon vor bzw. während der Injektion und/oder Vorapplikation ein Schaumstoff sein, dessen sich weiter ausdehnende Zellen für eine Expansion sorgen. In beiden Fällen können die Zellen sich vergrößern und so den Schaumstoff weiter expandieren, z. B. durch die Ausdehnung des enthaltenen Gases. In erster Linie bilden sich die Schaumstruktur und die damit einhergehende Expansion aufgrund chemischer Reaktionen. Beispielsweise kann dies durch Zugabe von Blähmitteln geschehen, die sich bei bestimmten Temperaturen während der Verarbeitung unter Gas-Bildung (N2, CO2) zersetzen. Bei Schaumstoffen aus Polymeren kann auch der Zusatz von flüchtigen Lösungsmitteln während der Polymerisation zur Expansion und Schaumstoffbildung beitragen.
Es kann erwünscht sein, dass während und/oder nach der Expansion Schaumstabilisatoren das Zusammenfallen des Schaums vor der Härtung verhindern.
Mit Reaktion ist vor allem gemeint, dass sich die Schaumstoffkomponenten bei gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen ohne Zutun zu einem Schaumstoff verbinden und dabei expandieren, die Schaumstoffbildung somit automatisch abläuft.
In manchen Fällen ist bevorzugt, dass die Expansion des schäumenden Materials aktiviert werden muss, das heißt, dass die Reaktion durch äußeres Zutun gestartet werden muss. Dies kann beispielsweise durch Einstellen bestimmter bevorzugter Temperaturbereiche, bestimmter vorteilhafter Druckverhältnisse, durch Bestrahlung und/oder Zuführung von Katalysatoren geschehen. Es kann ebenso erwünscht sein, die Aktivierung durch Aktivierungsenergie in anderer Form zuzuführen.
Bei der Expansion füllt dieser Schaum vorzugsweise den ganzen Hohlraum aus, welcher nicht von den Verstärkungsfasern eingenommen wird und verdichtet diese im Randbereich des Formwerkzeugs. Mit Verdichten ist vorteilhafterweise gemeint, dass die Verstärkungsfasern durch den Druck des schäumenden Materials und/oder des Schaumstoffs an die Innenwand des Formwerkzeugs gedrängt werden und bevorzugt eine hohe Packungsdichte der Fasern erzielt wird. So wird vorteilhafterweise der Aufenthaltsbereich der Fasern räumlich begrenzt und es kann eine räumlich wohldefinierte faserverstärkte Decklage hergestellt werden. Mit wohldefiniert ist vor allem gemeint, dass die Decklage eine gewünschte Dicke aufweist und von dieser Dicke bevorzugt um weniger als 10 %, besonders bevorzugt um weniger als 1% und ganz besonders bevorzugt um weniger als 0,1 % abweicht. Insbesondere wird so auch eine von Fasern mit hoher Dichte durchzogene Decklage gebildet, welche besonders stabil ist. Außerdem kann auf überraschende Weise ein synergistischer Effekt erzielt werden, da durch das Verdichten der Fasern die Packungsdichte weiter erhöht wird und so ein Durchdringen oder Infiltrieren der Fasern mit expandierendem Schaum zusätzlich erschwert wird.
Eine hohe Verdichtung der Fasern erhöht zusätzlich die Festigkeiten der Decklagen, da der Faservolumengehalt in den Decklagen gesteigert wird. Mit einem hohen Faservolumengehalt lassen sich höhere Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte erreichen. Gleichzeitig sinkt die benötigte Menge an Matrixmaterial und das Bauteilgewicht lässt sich auch weiter reduzieren.
Es ist bevorzugt, dass sich die Schaumstoffkomponenten molekular miteinander vernetzen und einen festen Schaumstoff bilden, welcher vorzugsweise aus Polyurethan (PUR) besteht. Vernetzen bedeutet hier, dass sich einzelne Makromoleküle zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpfen. Polyurethane sind Polymere, in deren Makromolekülen die Wiederholungseinheiten durch die Urethan-Gruppe -NH-CO-O- verknüpft sind. Polyurethane entstehen insbesondere durch Polyaddition aus zwei- oder höherwertigen Alkoholen und Diisocyanaten. Schaumstoff aus Polyurethan entsteht bei Polyaddition, bei Anwesenheit von Wasser und/oder Carbonsäuren, welche mit den Isocyanaten reagieren und auftreibendes sowie schaumbildend wirkendes Kohlendioxid abspalten.
Die Aushärtung nach der Expansion erfolgt vorteilhafterweise unter den für das jeweilige schäumende Material bzw. Polymer dem Fachmann bekannten Bedingungen.
Vorteilhafterweise ist der eingebrachte Matrixrohstoff, welcher die Verstärkungsfasern infiltriert, eine Mischung aus Harz und Härter und wird zeitversetzt zu den Schaumstoffkomponenten eingebracht. Unter Harze sind vor allem synthetische Harze, wie beispielsweise Harnstoffharze, Epoxidharze, Melaminharze, Phenolharze, ungesättigte Polyesterharze und/oder Isocyanatharze zu verstehen.
Mit Matrixrohstoff kann vornehmlich ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material gemeint sein. Daher kann der eingebrachte Matrixrohstoff, welcher die Verstärkungsfasern infiltriert, vornehmlich ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material sein und wird bevorzugt zeitversetzt zu den Schaumstoffkomponenten eingebracht. Thermoplastisches Material kann bevorzugt ein plastifizierter thermoplastischer Kunststoff sein. Duroplastisches Material kann bevorzugt eine Mischung aus Harz und Härter sein.
Es können sowohl Kondensationsharze als auch Reaktionsharze verwendet werden, die im Unterschied zu ersteren in der Hauptsache ohne Abspaltung flüchtiger Komponenten, allein durch Polymerisation oder Polyaddition aushärten.
Unter Härter sind bevorzugt Materialien zu verstehen, die gemeinsam mit dem verwendeten Harz zu einer Aushärtung zu einem festen Stoff, in erster Linie zu einem festen Kunststoff führen. Härter können bevorzugt Polyamine, Aminaddukte, Polyaminoamide, Ketimine, Polyisocyanate, blockierte Isocyanate, Cyanguanidin, Amidine, Anhydride von Dicarbonsäuren, Carboxygruppen-haltige Polyesterharze, Dicarbonsäuren, Aldehyde, Ketone und/oder Divinylbenzole sein. Es können auch Diallylphthalat und/oder Triglycidylisocyanurat zur Verwendung kommen.
Zeitversetzt bedeutet in erster Linie, dass die Mischung aus Harz und Härter nach den Schaumstoffkomponenten eingebracht wird.
In der Hauptsache können als Faseranteil der mindestens einen Decklage vorzugsweise Fasern aus Basalt, Glas, Keramik, Quarz, und/oder Kieselsäure verwendet werden. Fasern dieser Vorzugsvariante haben vorteilhafte Eigenschaften insbesondere bezüglich Belastbarkeit, Temperaturbeständigkeit und chemischer Beständigkeit. So können besonders beständige und/oder belastbare faserverstärkte Decklagen für Sandwichbauteile hergestellt werden.
Es kann auch bevorzugt sein, dass als Faseranteil der mindestens einen Decklage Zellulose, Flachs, Hanf-Fasern, Sisal und/oder Holz verwendet wird. Auf diese Weise können besonders flexible und ökologisch verträgliche Sandwichbauteile hergestellt werden.
Ebenfalls können vornehmlich für den Faseranteil der mindestens einen Decklage Bor und/oder Kohlenstoff verwendet werden. So werden besonders feste, steife und leichte faserverstärkte Decklagen gefertigt.
Vorteilhafterweise kann für den Faseranteil der mindestens einen Decklage auch Aramid, Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PPBO), Polyester, Nylon, Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylen, Polyethylen und/oder Polymethylmethacrylat verwendet werden. Fasern dieser Vorzugsvariante sind besonders vielseitig, besitzen beispielsweise eine hohe Temperatur- und/oder Chemikalienresistenz, eine niedrige Brennbarkeit und andere vorteilhafte Eigenschaften.
Für das eingebrachte Material, welches die Verstärkungsfasern infiltriert und bevorzugt ein thermoplastisches Material wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethen (PTFE) verwendet. Ebenso können in erster Linie duroplastische Materialien wie Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF), bevorzugt mit geeignetem Härter verwendet werden. Auf diese Weise können an die Anwendung angepasste, besonders feste und leichte, zum Teil wärmebeständige, brandfeste und/oder chemikalienresistente faserverstärkte Decklagen hergestellt werden.
Thermoplastische Matrixmaterialien bestehen bevorzugt nur aus einer Komponente und benötigen keinen Härter. Sie werden vor der Injektion vorteilhafterweise erhitzt und plastifiziert.
Es ist bevorzugt, dass bei dem beschriebenen Verfahren durch Zugabe von Wärme die Reaktionen des Schaumes und/oder des Harzsystems gesteuert werden können. Zugabe von Wärme meint in der Hauptsache eine kontrollierte Erwärmung der am Verfahren beteiligten Komponenten über die Umgebungs- und/oder bei dem Verfahren entstehenden Temperaturen hinaus. Hierbei kann es von Vorteil sein, dass verschiedenen räumlichen Bereichen unterschiedliche Wärmeenergie zugeführt wird.
Die Reaktion eines PUR-Schaumes läuft in der Regel insbesondere exotherm ab. Die freigesetzte Wärmeenergie kann bevorzugt gezielt genutzt werden, um die Viskosität und Aushärtezeit des Harzes zu steuern.
Es kann aber auch bevorzugt eine Temperatur für alle am Verfahren beteiligten Komponenten während des Verfahrens eingestellt werden.
Ebenso kann in erster Linie Wärme in Form von Wärmeenergie zugeführt werden ohne die Temperatur zu kontrollieren.
Die Wärme kann beispielsweise durch eine Heizung, z. B. durch Heizrohre oder elektrische Heizelemente, aber auch durch Peltierelemente, welche in das Formwerkzeug integriert sind, erzeugt werden. Es kann auch durch Heißluftgebläse und/oder elektromagnetischer Strahlung Wärme zugegeben werden. So können alle Reaktionen des Verfahrens, die Expansion und/oder das Aushärten kontrolliert und/oder aktiviert werden und somit die Eigenschaften des Sandwichbauteils wie beispielsweise die Festigkeit des Schaumstoffs und/oder des Harzsystems sehr gut gesteuert werden. Eine Erwärmung des Harzes verringert beispielsweise die Viskosität und verbessert die Verarbeitbarkeit. Es sind je nach Art des verwendeten Harzsystems und der Härtung bevorzugte Temperaturbereiche zwischen 20 °C und 50 °C, zwischen 50 °C und 100 °C und/oder zwischen 100 °C und 200 °C vorteilhaft. Ganz allgemein kann eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur um 10 °C überraschenderweise eine Halbierung der Aushärtezeit bewirken. Ebenso kann überraschenderweise durch Wärmezufuhr das Harzsystem stärker gehärtet und vollständiger vernetzt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Herstellung von Sandwichbauteilen insbesondere nach dem Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen, welche aus mindestens einer faserverstärkten Decklage, einem Kern aus geschäumtem Material und vorzugsweise mindestens einem Insert aufgebaut sind. Vorzugsweise umfasst das System ein Formwerkzeug, formlose Komponenten für den Schaumstoffkern sowie ein Matrixmaterial aus duroplastischem Harz und Härter oder einem thermoplastischen Kunststoff zur Infiltration der Verstärkungsfasern, welche in geeigneten Dosieranlagen bereitgestellt werden, sowie ein System zur kontrollierten Zuführung von Wärme. Es ist bevorzugt, dass das Formwerkzeug mindestens zweiteilig ist, dass die Dosieranlagen mit dem Formwerkzeug verbunden sind und dass das Formwerkzeug mindestens eine in dem Formwerkzeug angebrachte Arretierung für das vorzugsweise mindestens eine Insert aufweist. Mit Dosieranlage ist vorteilhafterweise eine Anlage zur Bereitstellung von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen in einer vorgegebenen und/oder gewünschten Menge beschrieben. Die Bereitstellung kann vornehmlich sowohl kontinuierlich als auch über einen bestimmten Zeitraum stattfinden. In der Hauptsache können mit Dosieranlagen Gemische aus unterschiedlichen Stoffen und bestimmten Mischungsverhältnissen bereitgestellt werden. Eine Dosieranlage kann vor allem mindestens ein Dosierorgan umfassen, welches einen Stofffluss zulässt oder unterbricht, oder selbst einen Stofffluss erzeugt, beispielsweise eine Absperrarmatur, eine Zellenradschleuse, eine Pumpe und/oder einen Schneckenförderer, ebenso ein vor dem Dosierorgan angeordneten Vorlagebehälter oder angeschlossene Leitungssysteme, welche die verschiedenen Komponenten dauerhaft verfügbar führen, sowie ein Zuleitungssystem zum Formwerkzeug und eine Einspritzvorrichtung. Mit dieser Vorzugsvariante können durch das Verfahren im Sinne der Erfindung komplexe und hochwertige Sandwichbauteile mit faserverstärkten Decklagen werkzeugfallend hergestellt werden, welche vorzugsweise mindestens ein möglichst bionisch integriertes Insert umfassen, ohne dass verschiedene manuelle Arbeitsschritte kombiniert werden müssen. Ebenso sind zur Herstellung keine komplizierten Komponenten wie beispielsweise Autoklaven erforderlich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Sandwichbauteil hergestellt nach dem Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen. Es ist bevorzugt, dass das Sandwichbauteil mindestens eine faserverstärkte Decklage, mindestens einen Kern aus geschäumten Material und vorzugsweise mindestens ein Insert umfasst. Die so bevorzugt hergestellten Sandwichbauteile sind überraschend komplex geformt, leicht, fest und/oder stabil. Die Bauteile können sehr individuell angepasst sein und so für komplexe Anwendungen in der Automobilindustrie, dem Schienenfahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt sowie im Windkraftanlagenbau verwendet werden.
Dabei ist bevorzugt, dass das Insert zur Lasteinleitung genutzt werden kann. Dies bedeutet vor allem, dass das Insert Kräfte auf das Sandwichbauteil übertragen kann. Durch die möglichst bionische Ausführung des mindestens einen Inserts können die Kräfte überraschenderweise weitgehend gleichmäßig im Bauteil verteilt werden. So kann das Sandwichbauteil bevorzugt Teil einer komplexen Kombination von Elementen sein, in dem Kräfte übertragen werden.
Figurenliste

1a, b: Schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen bei geöffnetem (a) und geschlossenem (b) Formwerkzeug.
2: Schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen bei geschlossenem Formwerkzeug bei der Injektion.
3: Schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen bei geöffnetem Formwerkzeug und Entformung des Sandwichbauteils. Detaillierte Beschreibung der Abbildung

1a zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen bei geöffnetem Formwerkzeug. Gezeigt wird vor allem ein zweiteiliges Formwerkzeug aus oberer Formhälfte (1) und unterer Formhälfte (2). Verstärkungsfasern (3) können in die obere (1) und untere Formhälfte (2) eingelegt und an den Innenwänden (4) fixiert werden. Ein Insert (5) kann ebenfalls auf eine Arretierung auf der Innenseite (4) des Formwerkzeugs aufgesteckt werden. Schaumstoffkomponenten A und B können in entsprechenden Dosieranlagen (6) bereitgestellt werden, ebenso wie Harz und Härter (7).
1b zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen bei geschlossenem Formwerkzeug. Hier wird des Weiteren noch das bionisch geformte Insert mitsamt der eng anliegenden Verstärkungsfasern in der Draufsicht gezeigt.
2 zeigt ein geschlossenes Formwerkzeug mit einem durch das obere (1) und untere (2) Formwerkzeug gebildeten Hohlraum (8). In diesem sind an den Innenwänden (4) die Verstärkungsfasern (3) und das Insert (5) positioniert. Zu einem Zeitpunkt t1 werden die Schaumstoffkomponenten aus der Dosieranlage (6) unter Druck in den Hohlraum (8) injiziert und expandieren dort, wobei sie weiteren Druck erzeugen und die Verstärkungsfasern in den Randbereich des Hohlraums verdrängen. Zu einem Zeitpunkt t2 werden Harz und Härter in das Formwerkzeug in den Randbereich, wo sich die Verstärkungsfasern befinden, unter hohem Druck injiziert.
In 3 wird das Formwerkzeug nach dem Aushärten des gesamten Sandwichbauteils (9), welches einen Kern aus geschäumtem Material (10), mindestens eine faserverstärkte Decklage (11) und ein Insert (12) umfasst, wieder geöffnet, wobei obere (1) und untere (2) Formhälfte getrennt werden. Dabei wird das Sandwichbauteil entformt. Die Arretierung (13) für das Insert ist ebenfalls in 3 zu sehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012013538 A1 [0007]
EP 2018948 A1 [0008]
US 20140083596 A1 [0009]
WO 9641715 A1 [0010]
WO 2009/053253 [0011]
WO 2012013393 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen, wobei - Verstärkungsfasern (3) zur Herstellung mindestens einer faserverstärkten Decklage an mindestens einer Innenwand (4) eines Formwerkzeugs wirkverbunden werden, - der Hohlraum zwischen den Verstärkungsfasern (3) mittels injiziertem oder vorappliziertem schäumendem Material gefüllt wird, - nach der Injektion und/oder Vorapplikation des schäumenden Materials ein Matrixrohstoff unter hohem Druck in die Randbereiche des Formwerkzeugs eingebracht wird und die Verstärkungsfasern (3) infiltriert, um mit dieser mindestens eine faserverstärkte Decklage (11) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund zu bilden, und - wobei das entstandene Sandwichbauteil (9) nach dem Aushärten durch Öffnen des Formwerkzeugs entformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Insert (5) in dem Formwerkzeug positioniert und wirkverbunden wird, bevor oder nachdem die Verstärkungsfasern (3) in das Formwerkzeug eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Wirkverbinden des mindestens einen Inserts (5) durch Aufstecken auf eine Arretierung (13) geschieht, die Teil des Formwerkzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der in das Innere des Formwerkzeus zeigende Teil des mindestens einen Inserts (5) mindestens ein Formelement umfasst, welches im Wesentlichen einen runden Querschnitt aufweist, so dass die Verstärkungsfasern (3) beim Aufschieben lokal verdrängt und um das mindestens eine Insert (5) umgeleitet werden und gegen ein Abrutschen gesichert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Verstärkungsfasern (3) mithilfe des mindestens einen Inserts (5) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, wobei das schäumende Material durch mindestens ein Insert (5) in das Formwerkzeug injiziert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei die Verstärkungsfasern (3) durch eine hohe Packungsdichte der einzelnen Fasern und/oder durch das Aufbringen einer Sperrschicht vom injizierten Schaum nicht vollständig durchdrungen oder infiltriert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei der injizierte Schaum einzelne Schaumstoffkomponenten, vorzugsweise Polyol und Polyisocyanat, umfasst, die in einer Mischdüse miteinander vermengt und in das Formwerkzeug injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schaumstoffkomponenten bei einer Reaktion und/oder Aktivierung zu einem Schaum, der den Hohlraum zwischen den Verstärkungsfasern ausfüllt, expandieren und dabei die Verstärkungsfasern (3) im Randbereich des Formwerkzeugs verdichten, wobei sich die Schaumstoffkomponenten molekular miteinander vernetzen und einen festen Schaumstoff bilden, vorzugsweise aus Polyurethan.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei der Matrixrohstoff, welcher die Verstärkungsfasern infiltriert, ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material ist und zeitversetzt zu den Schaumstoffkomponenten eingebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei als Faseranteil der mindestens einen Decklage vorzugsweise Fasern aus Basalt, Glas, Keramik, Quarz, und/oder Kieselsäure verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei als Faseranteil der mindestens einen Decklage vorzugsweise Zellulose, Flachs, Hanf-Fasern, Sisal und/oder Holz verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei als Faseranteil der mindestens einen Decklage vorzugsweise Bor und/oder Kohlenstoff verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei als Faseranteil der mindestens einen Decklage vorzugsweise Aramid, Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PPBO), Polyester, Nylon, Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylen, Polyethylen und/oder Polymethylmethacrylat verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei als Harz vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethen (PTFE), Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, wobei durch Zugabe von Wärme die Reaktionen des Schaumes und/oder des Harzsystems gesteuert werden können.
System zu Herstellung von Sandwichbauteilen gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, die aus mindestens einer faserverstärkten Decklage (11), einem Kern aus geschäumtem Material (10) und vorzugsweise mindestens einem Insert (5) aufgebaut sind, umfassend ein Formwerkzeug, formlose Komponenten für den Schaumstoffkern sowie Harz und Härter zur Infiltration der Verstärkungsfasern, welche in geeigneten Dosieranlagen (6, 7) bereitgestellt werden, sowie ein System zur kontrollierten Zuführung von Wärme, wobei - das Formwerkzeug mindestens zweiteilig ist, - die Dosieranlagen (6,7) mit dem Formwerkzeug verbunden sind, - das Formwerkzeug vorzugsweise mindestens eine in dem Formwerkzeug angebrachte Arretierung (13) für das vorzugsweise mindestens eine Insert (5) aufweist.
Sandwichbauteil (9) hergestellt nach dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend mindestens eine faserverstärkte Decklage (11), mindestens einen Kern aus geschäumten Material (10) und vorzugsweise mindestens ein Insert (5).
Sandwichbauteil (9) nach Anspruch 18, wobei das Insert (5) zur Lasteinleitung genutzt werden kann.