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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Preforms, wobei ein Faserwerkstoff mit einem reaktiven thermoplastischen Matrixwerkstoff imprägniert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung thermoplastischer Preforms.
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Aufgrund der Zielsetzung zur Reduzierung der CO2-Emission werden an die Materialien, insbesondere in der Automobilfertigung, unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Eine der wichtigsten Anforderungen ist dabei die Leichtbauweise. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Gewichts von Bauteilen und Baugruppen stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffbauteilen dar. Dabei kann gegenüber klassischen Konstruktionswerkstoffen wie Aluminium oder Stahl bis zu 50 % Gewicht bei gleichem Eigenschaftsprofil eingespart werden.
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Durch Kombination von Kunststoff mit Verstärkungsfasern kann ein großes Gewichtseinsparpotenzial generiert werden. Der Einsatz von endlosfaserverstärkten Kunststoffen ist derzeit allerdings mit hohen Kosten verbunden, da die Fertigungsprozesse, in welchen Werkstoffe mit sehr guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, nur bedingt automatisierbar sind.
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Die Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Bauteilstrukturen wird oft über den Zwischenschritt von Halbwerkzeugen oder endkonturnahen Faservorformlingen beziehungsweise eine sogenannte Preform realisiert. Eine Preform ist beispielsweise ein wesentlicher, die Kosten und Eigenschaften dominierender Bestandteil einer Produktionskette von den Ausgangsrohstoffen (Matrixwerkstoff und Faserwerkstoff) hin zum faserverstärkten Kunststoffbauteil.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Herstellungsverfahren zur Herstellung von thermoplastischen Preforms bekannt. Beispielsweise sind Tape-Legeverfahren für die Herstellung von Preforms bekannt. Derartige Tape-Legeverfahren sind zwar automatisierbar und für den Serieneinsatz, beispielsweise im Automobilbau, prinzipiell geeignet. Dennoch werden hierfür Ausgangsmaterialien, beispielsweise ein mit thermoplastischer Matrix getränktes textiles Halbzeug, benötigt, welche jedoch am Markt nur zu hohen Preisen verfügbar sind.
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Derartige Tapes, bestehend aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix sind aufwendig herzustellen und teuer. Die Weiterverarbeitung der Tapes erfordert eine hohe Verarbeitungstemperatur und einen hohen Verarbeitungsdruck.
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Nachteilig bei diesen Verfahren sind somit die hohen Kosten für die Materialbeschaffung, die langsame Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Verarbeitung thermoplastischer Tapes und eine relativ hohe Faserschädigung durch den Verarbeitungsprozess unter hohem Druck und hoher Temperatur.
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In der
WO 2012/116 947 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, flachen Halbzeugen auf Polyamidmatrix beschrieben, wobei im ersten Schritt die textilen Strukturen mit einer Matrix getränkt werden, anschließend abgekühlt werden und abschließend zu einem flachen Halbzeug konfektioniert werden.
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Die
DE 19 527 154 A1 betrifft einen thermoplastisch verformbaren Verbundwerkstoff. Hierfür wird im ersten Schritt eine aktivierte Lactam-Schmelze hergestellt, welche im dünnflüssigen Zustand eine Faseranordnung durchdringt, sodass sie die Matrix für einen Formkörper bildet. Anschließend wird die aktivierte Schmelze unter Temperatur- und Druckeinwirkung in einer Form oder einem Werkzeug auspolymerisiert.
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In der
DE 10 2011 006 372 A1 wird ein Prepreg hergestellt. Hierzu wird ein Faserverbund direkt auf einer Rolle bereitgestellt, anschließend imprägniert, thermisch bei ca. 260°C ausgehärtet und für den nächsten Verarbeitungsschritt auf eine Rolle gewickelt.
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In der
DE 10 2012 017 595 B4 wird ein Faserverbund mit Trägerfolie von einer Rolle abgewickelt und direkt auf ein Bauteil unter Entfernung der Trägerfolie aufgebracht. Zur Verbesserung der Klebung des Faserverbunds durchläuft der Faserverbund kurzzeitig eine Heizung oder bevorzugt lonisationselemente.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Preforms möglichst kostengünstig und derart flexibel auszugestalten, dass die Herstellung der Preform oder auch des faserverstärkten Kunststoffbauteils direkt im Anschluss an die Herstellung der Tapes durchgeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird hierfür ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Preforms vorgeschlagen, wobei ein Faserwerkstoff mit einem reaktiven thermoplastischen Matrixwerkstoff imprägniert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Ablegen des Faserwerkstoffs auf eine Folie; und
- b) Imprägnieren des Faserwerkstoffs mit dem Matrixwerkstoff; und
- c) Aufrollen des mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Faserwerkstoffs zusammen mit der Folie auf eine Rolle; und
- d) Abrollen des mit dem Matrixwerkstoff getränkten Faserwerkstoffs zusammen mit der Folie von der Rolle; und
- e) Ablegen des mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Faserwerkstoffs auf einer Oberfläche eines Preformwerkzeugs, wobei die thermoplastische Preform ausgebildet wird, wobei die Schritte a) bis e) in direkter Abfolge hintereinander durchgeführt werden, wobei die Preform (100) in Schritt e) ausgebildet wird, bevor der Matrixwerkstoff auspolymerisiert ist.
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Die Schritte d) und e) werden als kontinuierlicher Prozess beziehungsweise als unmittelbar aufeinanderfolgende Schritte durchgeführt. Beispielsweise kann für das Abrollen von der Rolle in Schritt d) das Ablagemittel aus Schritt e) verwendet werden. Beim Abkühlen erstarrt der Matrixwerkstoff und es entsteht eine formstabile reaktive thermoplastische Preform.
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Unter einer Preform ist im Sinne dieser Erfindung ein geometrisch sowie auch werkstofflich betrachtetes Zwischenprodukt zu verstehen. Aus einer nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten thermoplastischen Preform kann dann in einem weiteren Verarbeitungsverfahren das Zielbauteil, nämlich ein faserverstärktes thermoplastisches Kunststoffbauteil, hergestellt werden. Die hierfür erforderlichen weiteren Verfahrensschritte können direkt im Anschluss an das Verfahren zur Herstellung der Preform durchgeführt werden. Alternativerweise kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil in einem separaten Verfahren zu einem späteren Zeitpunkt basierend auf der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Preform hergestellt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Faserwerkstoff in jeder geeigneten Form zur Verfügung stehen. Beispielsweise können textile Halbzeuge, wie uni- oder mehrdirektionale Gelege vorgesehen werden. Des Weiteren können Endlosfaserrovings vorgesehen sein. Bevorzugterweise werden in Schritt a) allerdings im Wesentlichen unidirektional ausgerichtete Kohlenstofffasern auf der Folie abgelegt. Der Faserwerkstoff wird ferner bevorzugterweise in Schritt a) mit einer Vorzugsrichtung von 0° abgelegt.
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In Schritt b) wird der Faserwerkstoff mittels einer Imprägniervorrichtung mit dem Matrixwerkstoff imprägniert beziehungsweise getränkt. Hierfür kann der Faserwerkstoff beispielsweise kontinuierlich durch eine Imprägniervorrichtung hindurchgeführt werden und beim Hindurchführen durch die Imprägniervorrichtung innerhalb dieser der Matrixwerkstoff auf den Faserwerkstoff aufgebracht werden.
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Der Matrixwerkstoff basiert bevorzugterweise auf Lactam, insbesondere Caprolactam oder Laurinlactam.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird als kontinuierlicher Prozess durchgeführt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Verfahrensschritte a) bis e) kontinuierlich und in unmittelbarer Abfolge nacheinander durchgeführt werden können. Somit kann die thermoplastische Preform direkt bei der Herstellung der thermoplastischen reaktiven Tapes hergestellt werden. In einem weiteren Schritt könnte die Preform direkt zu einem faserverstärkten Kunststoffbauteil weiterverarbeitet werden.
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Bevorzugterweise werden die vorgenannten Verfahrensschritte a) bis e) in der vorgenannten Reihenfolge durchgeführt. In Schritt e) kann beim Ablegen der Tapes jedes geeignete Tape-Legeverfahren vorgesehen werden. Besonders bevorzugterweise ist hierfür das sogenannte NearNet-Shaping Verfahren vorgesehen. Unter einem Preformwerkzeug ist ein Körper, insbesondere mit einer vorgegebenen Form der Oberfläche, zur Formgebung der Preform beim Aushärten zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Einsatz preisgünstiger Tapes. Des Weiteren können Materialkosten durch die Herstellung verschnittarmer Preforms eingespart werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erspart Fertigungskosten und insbesondere Fertigungszeit, dadurch, dass die Preform-Herstellung mittels eines kontinuierlichen Prozesses möglich ist.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Schritte a) bis c) in einer Umgebung mit weniger als 20 % relativer Luftfeuchte und/oder in einer Umgebung mit einer Temperatur zwischen 15°C und 30°C durchgeführt werden. Besonders bevorzugterweise ist die Luftfeuchte kleiner als 15 %, sowie ganz besonders bevorzugterweise kleiner als 10 %. Ferner ist besonders bevorzugterweise die Temperatur zwischen 19°C und 26°C. Beispielsweise beträgt die Temperatur im Wesentlichen Raumtemperatur. Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Schritte a) bis c) als kontinuierlicher Prozess innerhalb eines abgeschlossenen Raumes beziehungsweise innerhalb eines Gehäuses oder einer Einhausung durchgeführt werden.
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Damit kann in relativ einfacher Weise die Umgebungsbedingung mit niedriger Luftfeuchte und Temperatur vorgegeben beziehungsweise eingestellt werden.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Faserwerkstoff vor Schritt a) auf eine Temperatur zwischen 120°C und 180°C, besonders bevorzugterweise auf eine Temperatur zwischen 140°C und 160°C, beispielsweise 150°C, vorgewärmt wird.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in Schritt b) der Faserwerkstoff und/oder der Matrixwerkstoff eine Temperatur zwischen 120°C und 180°C, besonders bevorzugterweise zwischen 140°C und 160°C, beispielsweise 150°C aufweist. Hierfür kann auch der Matrixwerkstoff vor Schritt b) auf die entsprechende Temperatur vorgewärmt werden. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Faserwerkstoff mit dem Matrixwerkstoff bei einer Temperatur, welche im Wesentlichen der Lactam-Systemtemperatur entspricht, imprägniert wird.
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Wird der Faserwerkstoff vor Schritt a) nicht vorgewärmt und in Schritt b) nicht unter erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 150°C, mit dem Matrixwerkstoff imprägniert, wird die Preform direkt nach der Herstellung der thermoplastischen reaktiven Tapes hergestellt. Die reaktiven Tapes polymerisieren in diesem Fall nicht auf der Rolle aus. Stattdessen kann die Preform in Anschluss an Schritt e) in einem Presswerkzeug unter Temperatureinfluss zum faserverstärkten Kunststoffbauteil auspolymerisieren. Dies ist dann unter geringer Temperaturzufuhr, beispielsweise unter einer Temperaturzufuhr zwischen 140°C und 160°C möglich.
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In Schritt e) wird der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierte Faserwerkstoff zusammen mit der Folie und/oder der weiteren Folie auf der Oberfläche eines Preformwerkzeugs abgelegt. Die erste Folie und/oder zweite Folie kann vorteilhafterweise im Endprodukt, nämlich dem faserverstärkten Kunststoffbauteil, verbleiben. Insbesondere kann die Folie dabei als Funktionsschicht, zum Beispiel als Dekorfolie und/oder als UV-Schutz dienen. Insbesondere kann für eine Dekorfolie auch eine farbige Folie vorgesehen sein.
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Alternativerweise kann zwischen den Schritten d) und e) die Folie und/oder die weitere Folie entfernt werden. Beispielsweise können hierfür am Ablagemittel entsprechende Vorrichtungen, zum Beispiel Rollenmesser zum Aufschneiden der zusammengeschweißten Folien, und Walzen zum Abziehen der Folien vorgesehen sein.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Schritte a) bis e) in direkter Abfolge hintereinander durchgeführt werden, wobei die Preform in Schritt e) ausgebildet wird, bevor der Matrixwerkstoff auspolymerisiert ist. Hierfür werden sämtliche Schritte a) bis e) innerhalb einer Einhausung beziehungsweise innerhalb eines Gehäuses und innerhalb einer einheitlichen Umgebung durchgeführt. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die relative Luftfeuchte innerhalb dieser Umgebung für alle Schritte a) bis e) kleiner als 20 %, besonders bevorzugterweise kleiner als 15 %, sowie ganz besonders bevorzugterweise kleiner als 10 % beträgt. Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Temperatur innerhalb dieser Umgebung für alle Schritte a) bis e) zwischen 15°C und 30°C, besonders bevorzugterweise zwischen 18°C und 24°C, sowie ganz besonders bevorzugterweise Raumtemperatur beträgt.
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Die Tapes werden direkt nach dem Imprägnieren im nichtpolymerisierten Zustand weiterverarbeitet. Da das Material in diesem Zustand noch feuchteempfindlich ist, werden vorzugsweise sämtliche Schritte a) bis e) innerhalb einer Einhausung beziehungsweise innerhalb eines Gehäuses unter den vorgenannten Umgebungsbedingungen durchgeführt und somit das Material innerhalb des Gehäuses aufgerollt und an einen Tapeleger übergeben. Damit wird gewährleistet, dass das Material keine Feuchte aufnimmt und nicht zwischenkonsolidiert werden muss, damit die mechanischen Eigenschaften nicht verloren gehen.
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Die Weiterverarbeitung der noch nicht polymerisierten Tapes kann dann bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen. Beispielsweise kann die Verarbeitung bei 150 °C erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils vorgesehen, wobei nach Schritt e) die Preform in einem Presswerkzeug zum Endbauteil, nämlich dem faserverstärkten Kunststoffbauteil, weiterverarbeitet wird.
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Ferner ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Herstellung thermoplastischer Preforms vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren eines Faserwerkstoffs mit einem reaktiven thermoplastischen Matrixwerkstoff, eine Rolle zum Aufrollen des mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Faserwerkstoffs und ein Ablagemittel zur Ablage des mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Faserwerkstoffs auf einem Preformwerkzeug, aufweist. Erfindungsgemäß sind die Imprägniervorrichtung und die Rolle in einem von einem Gehäuse eingeschlossenen Raum angeordnet. Dadurch können die Luftfeuchte und die Temperatur innerhalb dieses Raums eingestellt und kontrolliert werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass auch das Preformwerkzeug mit dem Ablagemittel in dem von dem Gehäuse eingeschlossenen Raum angeordnet ist. Dadurch kann eine direkte Verarbeitung des Materials ohne Zwischenpolymerisierung vorgesehen werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigt schematisch:
- 1: ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Preforms sowie der Weiterverarbeitung zum faserverstärkten Kunststoffbauteil.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Preforms 100 gezeigt. Dabei ist ein kontinuierlicher Prozess vorgesehen, wobei der Matrixwerkstoff nicht auf der Rolle 12 auspolymerisiert.
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Dazu ist sowohl die Imprägniervorrichtung 14, die Rolle 12, sowie auch das Preformwerkzeug 13 und das Ablagemittel 15 innerhalb eines Gehäuses 16 angeordnet. Die Luftfeuchte wird innerhalb des Gehäuses 16 für alle Schritte a) bis e) kleiner als 10 % und die Temperatur bei etwa Raumtemperatur gehalten.
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Ein Vorheizen des Faserwerkstoffs 10 ist nicht vorgesehen. In Schritt a) wird der Faserwerkstoff 10 auf der Folie abgelegt und in Schritt b) mit dem Matrixwerkstoff imprägniert. Anschließend wird in Schritt c) der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierte Faserwerkstoff 10 auf die Rolle 12 aufgerollt.
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Direkt im Anschluss ist eine Weiterverarbeitung vorgesehen, wobei in Schritt d) der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierte Faserwerkstoff 10 von der Rolle 12 abgewickelt beziehungsweise abgerollt und in Schritt e) auf dem Preformwerkzeug 13 die Preform 100 ausgebildet werden.
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Bei der Weiterverarbeitung der Preform 100 zum faserverstärkten Kunststoffbauteil 200 kann in einem Presswerkzeug 17 der Matrixwerkstoff unter Temperaturzufuhr von circa 150°C auspolymerisieren.
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Optional können vor der Weiterverarbeitung zum Endbauteil beziehungsweise zum faserverstärkten Kunststoffbauteil 200 nach Schritt e) die Einzellagen auf dem Preformwerkzeug 13 bei etwa 80°C zu einem Stapelpaket verschweißt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Preform
- 200
- Faserverstärktes Kunststoffbauteil
- 300
- Vorrichtung zur Herstellung thermoplastischer Preforms
- 10
- Faserwerkstoff
- 12
- Rolle
- 13
- Preformwerkzeug
- 14
- Imprägniervorrichtung
- 15
- Ablagemittel
- 16
- Gehäuse
- 17
- Presswerkzeug