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Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Polymerchemie und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, wie es beispielsweise für die Herstellung von Bauteilen in der Orthopädietechnik, im Sport oder für dynamisch belastete Bauteile eingesetzt werden kann.
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In vielen Bereichen der Technik werden heute bereits sogenannte Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) eingesetzt. Ein Faser-Kunststoff-Verbund ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix. Die Kunststoffmatrix umgibt die Fasern, die durch adhäsive Wechselwirkungen an den Kunststoff gebunden sind. Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige oder schalenförmige Strukturen hergestellt.
Die mechanischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Anwendung verschiedener Faser- und Kunststoffmaterialien können beispielsweise der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, Schichtaufbau und -dicke und vieles mehr variiert werden (Wikipedia, Stichwort Faser-Kunststoff-Verbund).
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In der konventionellen Faserverbundtechnik werden hauptsächlich flächige Faserhalbzeuge, wie Gewebe oder Gelege angewandt, die schichtweise übereinandergelegt werden, um eine gewisse Bauteildicke zu erzielen. Dabei ist die Faserorientierung innerhalb einer Schicht stets konstant. Diese Herangehensweise führt dazu, dass die Fasern nicht an allen Stellen des Bauteils belastungsgerecht orientiert sind und somit ein größerer Teil des möglichen Leichtbaupotenzials ungenutzt bleibt (C. Cherif, 2011, Textile Werkstoffe für den Leichtbau, Berlin, Springer; H. Schürmann, 2007, Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, 2. bearb. u. erw. aufl. edition, London, Springer.).
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Um Faser-Kunststoff-Verbunde mit einer sogenannten variabelaxialen Faserverstärkung herzustellen, wird heutzutage das Tailored Fiber Placement (TFP)-Verfahren angewandt. Bei diesem Verfahren werden sogenannte Rovings, worunter Verstärkungsfaserbündel aus einer Vielzahl parallel angeordneter Filamente verstanden werden, mittels eines Nähfadens im Zick-Zack-Stich auf einem flächigen Trägermaterial fixiert. Auf diese Weise können beliebige, auch sehr stark gekrümmte, Faserverläufe realisiert werden (K. Gliesche und D. Feltin, 1995, Technische Textilien/Technical Textiles, 38:209).
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Basierend auf Ergebnissen von Finite Elemente Analysen (FEA) können Stickmusterdaten abgeleitet werden, die dann mittels des TFP-Verfahrens in eine textile Struktur, die sogenannte Preform, umgesetzt werden (A. Spickenheuer, 2014, Ph.D. thesis, Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen). Anschließend erfolgt die Weiterverarbeitung dieser textilen Preform zu einem konsolidierten Bauteil mit den bekannten Verarbeitungstechnologien, wie dem Harzinjektionsverfahren, dem Vakuum-Folienverfahren, Pressverfahren sowie Autoklavverfahren (www. Hightex-dresden.de - Erläuterungen zur TFP-Technologie). Die so hergestellten Bauteile weisen eine sehr hohe massenspezifische Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig sehr ressourcenschonendem Materialeinsatz auf.
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Für die Herstellung von FKV mit verschiedenen Kunststoffen als Matrixmaterialien in einem Bauteil, sogenannten Multi-Matrix-FKV, entstehen zusätzliche Anforderungen.
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Der gleichzeitige Einsatz von verschiedenen Kunststoffen in einem FKV-Bauteil gestaltet sich schwierig und ist derzeit nur auf wenige Weisen mit jeweils deutlichen Einschränkungen möglich. In einem vakuumbasierten Infiltrationsprozess können mehrere Angüsse an verschiedenen Stellen des Bauteils verwendet werden, die die Faserstruktur mit verschiedenen Matrizes infiltrieren (J. Krollmann, , R. Snajdr, M. Paz, S. Zaremba and K. Drechser, 2016, AIP Conference Proceedings 1779, 080005) .
Allerdings sind auf diese Weise die Form und Größe der verschiedenen Matrixzonen, sowie die Detailierung der Kontur im Übergangsbereich zwischen den Zonen nur schwer beherrschbar und erfordern daher aufwändige Experimente und/oder numerische Strömungssimulationen.
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Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Multi-Matrix-FKV findet sich in einer manuellen Einbringung eines zweiten Matrixmaterials. Dabei wird beispielsweise ein Elastomer in Form von Rollenware in den gewünschten Abmessungen und Formen zugeschnitten und dann manuell an die gewünschten Positionen im Bauteil oder der Preform positioniert (Patent:
DE 10 2005 023 320 A1 ).
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Von besonderem Nachteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass sich die Position dieser Zuschnitte bei den notwendigen Vorbereitungen für die nachfolgende Infiltration der Faserstruktur mit dem zweiten Matrixmaterial verlagern kann. Beim Schließen des Formwerkzeugs oder beim Ziehen des Vakuums können die Zuschnitte um einige Millimeter verrutschen, woraus entsprechend hohe Fertigungstoleranzen resultieren und das Bauteil nach der Konsolidierung vom berechneten mechanischen Eigenschaftsprofil abweichen kann.
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Damit eignet sich dieses Verfahren nur schlecht, um derartige Multi-Matrix-FKV reproduzierbar und in gewünschter Vielfalt an Materialien, Formen und Positionen im Bauteil zu realisieren.
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Bei allen bekannten Lösungen für Verfahren zur Herstellung eines FKV ist nachteilig, dass die FKV mit mehr als einem Kunststoff als Matrixmaterial wenig flexibel hinsichtlich Material, geometrischer Form und Position im Bauteil sind und damit kosten- und zeitintensiv sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines Formteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, mit dem diese Formteile mit mehr als einem Kunststoff als Matrixmaterial unter reproduzierbaren Bedingungen kostengünstig und mit höherer Flexibilität mindestens bezüglich der Positionen der verschiedenen Kunststoffmaterialien im Formteil hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund wird zur Herstellung einer Preform mindestens ein Faserbündel auf einem Substrat positioniert, danach das mindestens eine Faserbündel in ein erstes Kunststoffmaterial bereichsweise eingebettet und/oder mit einem erstem Kunststoffmaterial bereichsweise bedeckt, anschließend wird der nicht eingebettete und/oder unbedeckte Bereich des mindestens einen Faserbündels mindestens in einem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet und/oder mit mindestens einem zweiten Kunststoffmaterial bedeckt und nachfolgend werden die mindestens zwei Kunststoffmaterialien vollständig ausgehärtet, wobei das mindestens erste und zweite Kunststoffmaterial mindestens stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden, und wobei unterschiedliche Kunststoffmaterialien eingesetzt werden oder Kunststoffmaterialien gleicher Zusammensetzung, wobei bei Kunststoffmaterialien gleicher Zusammensetzung mindestens ein Kunststoffmaterial mit mindestens einem Zusatz eingesetzt wird.
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Vorteilhafterweise wird als Substrat ein textiles Material, noch vorteilhafterweise ein textiler Flächenverbund, wie Gewebe oder Vlies aus Glas-, Kohle-, Aramid-, oder Basaltfasern, Elastomere, vorteilhafterweise wasserlösliches Elastomer, und/oder Polymerfolien, vorteilhafterweise eine wasserlösliche Polymerfolie, noch vorteilhafterweise eine PVA-Folie, und/oder Papiere eingesetzt.
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Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Faserbündel Verstärkungsfasern, vorteilhafterweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern und/oder thermoplastische Hybridgarne, eingesetzt.
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Weiterhin vorteilhafterweise werden Faserbündel in Form von flächigen textilen Halbzeugen, vorteilhafterweise Geweben oder Gelegen aus Glas-, Kohle-, Aramid-, oder Basaltfasern, auf dem Substrat positioniert.
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Und auch vorteilhafterweise werden eine Vielzahl an Faserbündeln in definierten Ausrichtungen auf dem Substrat positioniert.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Positionierung und Orientierung der Faserbündel und die Positionierung des ersten und/oder zweiten Kunststoffmaterials gemäß den Ergebnissen von Finite-Elemente-Analysen ermittelt und realisiert werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn als Kunststoffmaterial ein oder mehrere natürliche Kautschuke, künstlicher Kautschuk, Thermoplaste, Elastomere und/oder synthetische Harze eingesetzt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn ein niederviskoses und/oder ein hochviskoses Kunststoffmaterial als erstes und/oder zweites Kunststoffmaterial eingesetzt wird.
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Und auch vorteilhaft ist es, wenn als Zusatz eines Kunststoffmaterials elektrisch leitendes Material, elektrisch isolierendes Material, thermisch leitendes Material und/oder thermisch isolierendes Material eingesetzt wird.
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Von Vorteil ist es auch, wenn zur Herstellung eines Formteils das Substrat mit den Faserbündel(n) in eine Form eingebracht wird.
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Und auch von Vorteil ist es, wenn ein System zur Erkennung der Lage der Preform auf einem Maschinentisch eingesetzt wird, um bei Verschiebungen und/oder Verzerrungen der Preform die richtigen Positionen der mit den Kunststoffmaterialien einzubettenden und/oder zu bedeckenden Bereiche zu finden.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Einbettung und/oder Bedeckung des oder der Faserbündel mit den Kunststoffmaterialien durch Drucken mit mindestens einem Druckkopf und/oder durch Spritzen, vorteilhafterweise mit Nadeln unterschiedlicher Konfiguration, und/oder durch Gießen und/oder Pinseln und/oder unter Anwendung von Unterdruck, vorteilhafterweise Vacuum Assisted Process (VAP) oder Resin Transfer Molding (RTM) oder mittels Autoklavverfahren realisiert wird, wobei noch vorteilhafterweise die Einbettung und/oder Bedeckung des oder der Faserbündel mit den Kunststoffmaterialien durch Drucken mit mehreren Druckköpfen oder einem Doppeldruckkopf realisiert wird.
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Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Kunststoffmaterialien vor dem Aushärten verfestigt und/oder teilvernetzt und/oder vernetzt und/oder teilgehärtet werden.
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Und auch von Vorteil ist es, wenn eine Aushärtung des ersten und/oder zweiten Kunststoffmaterials mittels UV-Strahlung, Elektronenstrahlen, Wärmezufuhr und/oder Katalysatoren realisiert wird.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das Kunststoffmaterial diskontinuierlich aufgebracht wird.
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Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Kunststoffmaterial kontinuierlich aufgebracht wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es erstmals möglich, Formteile aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit mehr als einem Kunststoff als Matrixmaterial unter reproduzierbaren Bedingungen kostengünstig und mit höherer Flexibilität mindestens bezüglich der Positionen der Kunststoffmaterialien im Formteil herzustellen.
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Der erfindungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbund ist ein Multi-Matrix-Faser-Kunststoff-Verbund mit mindestens zwei Kunststoffmaterialien.
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Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, bei dem zur Herstellung einer Preform auf einem Substrat mindestens ein Faserbündel (Roving) positioniert wird. Das Substrat (oder Trägermaterial) dient vorrangig der Fixierung der Fasern des mindestens einen Faserbündels.
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Danach wird das mindestens eine Faserbündel bereichsweise in ein erstes Kunststoffmaterial eingebettet und/oder mit einem ersten Kunststoffmaterial bedeckt. Anschließend kann das erste Kunststoffmaterial vorteilhafterweise verfestigt und/oder teilvernetzt und/oder vernetzt und/oder teilgehärtet werden.
Der nicht eingebettete und/oder unbedeckte Bereich des mindestens einen Faserbündels wird anschließend in einem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet und/oder mit einem zweiten Kunststoffmaterial bedeckt.
Nachfolgend werden die mindestens zwei Kunststoffmaterialien ausgehärtet, wobei das erste und das zweite Kunststoffmaterial mindestens stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Vor dem Aushärten des mindestens zweiten Kunststoffmaterials kann auch das zweite oder alle weiteren Kunststoffmaterialien vorteilhafterweise verfestigt und/oder teilvernetzt und/oder vernetzt und/oder teilgehärtet werden.
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Als Substrat wird erfindungsgemäß ein Trägermaterial eingesetzt, wobei vorteilhafterweise ein textiles Material, wie beispielsweise ein textiler Flächenverbund, wie ein Gewebe oder ein Vlies aus Glas-, Kohle-, Aramid-, oder Basaltfasern, und/oder eine Polymerfolie, die auch wasserlöslich, wie beispielsweise eine PVA-Folie sein kann, und/oder Papier eingesetzt wird.
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Ebenso werden als Faserbündel vorteilhafterweise Verstärkungsfasern für den Faserkunststoffverbund, noch vorteilhafterweise Glas-, Kohle-, Aramid- und/oder Basaltfasern und/oder thermoplastische Hybridgarne eingesetzt.
Dabei werden die Faserbündel vorteilhafterweise in Form von flächigen textilen Halbzeugen, vorteilhafterweise Geweben oder Gelegen auf dem Substrat positioniert, wobei noch vorteilhafterweise eine Vielzahl an Faserbündeln in definierten Ausrichtungen auf dem Substrat positioniert werden.
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Die Positionierung, dies heißt, der Ablageort und der Ablagewinkel, und die Orientierung der Faserbündel und ebenso der Kunststoffmaterialien erfolgt vorteilhafterweise gemäß den Ergebnissen von Finite-Elemente-Analysen, die dem Ziel eine steifigkeitsoptimiertes Formteil herzustellen dienen.
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Die erfindungsgemäße Herstellung des Formteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund über eine Preform aus Substrat, Faserbündel und erstem Kunststoffmaterial ist eine Weiterentwicklung der an sich bekannten TFP-Technologie.
Die Preform im Falle der vorliegenden Erfindung enthält neben dem Substrat, Faserbündeln und mindestens erstem Kunststoffmaterial in jedem Fall unbedeckte, unausgehärtete Bereiche und/oder trockene Faserbereiche. Nach der Aufbringung des mindestens zweiten Kunststoffmaterials und der Aushärtung liegt dann das erfindungsgemäße Formteil aus einem Faser-Kunststoff-Verbund vor.
Mit der bekannten TFP-Technologie kann kein Kunststoffmaterial auf- oder eingebracht werden, sondern es können nur die Fasern sticktechnisch auf einem Substrat fixiert werden.
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Auch der Einfluss verschiedener Kunststoffmaterialien sowie deren Position auf und in der Preform kann mittels Simulation mit der Finite-Elemente-Analyse ermittelt werden. Verarbeitungstechnisch werden die verschiedenen Kunststoffmaterialien an den jeweiligen Positionen durch das teilweise Einbetten im oder Bedecken des Faserbündels und/oder des Substrats in oder auf die Preform ein- und/oder aufgebracht.
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Vorteilhafterweise kann auf Basis der Daten zur Erstellung der Finite-Elemente-Modelle unter Verwendung einer Software vollautomatisch ein Maschinencode für die Weiterverarbeitung der Preform generiert werden. Die entsprechenden Daten enthalten mindestens Position und Menge der aufzubringenden Kunststoffmaterialien. Bei Einbringung verschiedener Kunststoffmaterialen als Matrixmaterialien mittels einem oder mehrerer Druckköpfe enthalten die Daten weiterhin die Art des einzubringenden Materials.
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Vorteilhafterweise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschiedene Bereiche oder Zonen im erfindungsgemäßen Formteil mit den verschiedenen Kunststoffmaterialien realisieren. Diese Zonen können unterschiedliche Eigenschaften aufgrund der unterschiedlichen Kunststoffmaterialien und Faserbündel aufweisen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise ein ringförmiger Bereich um die jeweilige einzubettende Stelle von Fasern auf einem Substrat auf einem ebenen Maschinentisch zunächst mittels einer 3D-Druckkopf-ähnlichen Apparatur von oben mit einem definierten Anpressdruck kompaktiert werden. Durch diese Kompaktierung weist dieser Bereich einen höheren Widerstand gegen das Eindringen von Kunststoffmaterial auf und beispielsweise der Bereich im Inneren des ringförmigen Bereiches somit den geringsten Widerstand gegen Eindringen des dann durch den Druckkopf extrudierten Kunststoffmaterials auf.
Es ist auch möglich, bei Anwendung eines niedrigviskosen Kunststoffmaterials den beschriebenen Prozess ohne Anpressdruck durchzuführen. Das niedrigviskose Kunststoffmaterial dringt dann durch die dementsprechend hohe Fließfähigkeit lokal von selbst in die Faserbündel ein.
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Nach erfolgter Ein- und/oder Aufbringung des Kunststoffmaterials in oder auf die entsprechende Stelle kann das eingebrachte Kunststoffmaterial, vorteilhafterweise durch Härtemechanismen, wie UV-Strahlung, Wärmeeinfluss, Elektronenstrahlen, oder durch Katalysatoren ganz oder teilweise verfestigt und/oder teilvernetzt und/oder vernetzt werden. Durch diesen Verfahrensschritt kann die Position des Kunststoffs an der eingebetteten Stelle sichergestellt werden.
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Die Sicherstellung der Position der Bereiche mit unterschiedlichen Kunststoffmaterialien ist erfindungsgemäß von besonderer Bedeutung, damit das Formteil für den nachfolgenden Einsatz lokal die entsprechenden gewünschten Eigenschaften aufweist.
Vorteilhafterweise wird hochviskoses Material oder werden hochviskose Materialien eingesetzt, die nach dem Aufbringen auf oder Einbringen in das Substrat und das mindestens eine Faserbündel hochviskos sind, um ein Verlaufen in oder auf weitere Bereiche der Preform zu vermeiden oder zu unterbinden.
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Vorteilhafterweise kann auch ein System zur Erkennung der genauen Position der Preform auf einem Maschinentisch eingesetzt werden, um auch bei verschobenen oder verzerrter Preform ortsgenau den Kunststoff auf- oder einbringen zu können.
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Weiterhin vorteilhafterweise erfolgt das Einbetten oder Bedecken mit dem ersten Kunststoffmaterials Punkt für Punkt, also in diskontinuierlicher Weise.
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Durch das Aneinanderreihen mehrerer Einbettungs-/Bedeckungsstellen der Kunststoffmaterialien können geometrisch komplexe Bereiche oder Zonen hergestellt werden. Die Größe einer einzelnen Einbettungs-/Bedeckungsstelle hängt von der verwendeten Extrusionsdüse ab und kann von wenigen Millimetern bis hin zu einigen Zentimetern variiert werden.
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Neben der Einbettung einzelner Stellen mit Kunststoffmaterial ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Bedeckung definierter Stellen möglich, um beispielsweise elastische Polsterstrukturen für das spätere Formteil zur Verfügung zu stellen. Für diesen Prozess kommen vorteilhafterweise höherviskose Kunststoffmaterialien zum Einsatz, um ein Verlaufen des Kunststoffmaterials zu vermeiden.
Für Formteile, die beispielsweise im späteren Einsatz in ständigem Hautkontakt mit Personen stehen, ist auch eine flächige Bedeckung mit einem sogenannten „medical grade“-Kunststoff möglich. Wird für eine vakuumgetriebene Einbettung der Preform mit dem mindestens zweiten Kunststoffmaterial ein nicht-„medical grade“-Kunststoff eingesetzt, ist der Einsatz des Formteils für den direkten Hautkontakt dennoch unbedenklich. In diesem Fall muss das vorher zur Bedeckung verwendete Kunststoffmaterial vor der Einbettung mit dem mindestens zweiten Kunststoffmaterial mindestens teilweise vernetzt sein, um die Lage des „medical grade“-Kunststoffs oberhalb der Preform sicherzustellen.
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Ebenfalls vorteilhafterweise kann das Aufbringen mindestens eines der Kunststoffmaterialien in einer kontinuierlichen Art und Weise erfolgen.
Es ist erfindungsgemäß auch eine Kombination der beiden beschriebenen Varianten möglich, so dass bereits partiell mit dem ersten Kunststoffmaterial eingebettete und/oder bedeckte Bereiche auch noch mit einem zweiten Kunststoffmaterial bedeckt werden können.
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Besonders vorteilhaft ist die Einbettung/Aufbringung der Kunststoffmaterialien mittels Drucktechnik, insbesondere mittels 3D-Druck, wobei ein oder mehrere modifizierte Druckköpfe eingesetzt werden, mit denen die Kunststoffmaterialien eingebracht/aufgebracht werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Druckkopf eingesetzt wird, der mindestens eine Düse/ein Ventil aufweist, wodurch mindestens ein Kunststoffmaterial einbringbar/aufbringbar ist. Durch das Extruder-/Ventilsystem am Druckkopf lässt sich die einzubringende Menge an Kunststoffmaterial präzise dosieren.
Bei der Verwendung eines Druckkopfes mit mehreren Düsen/Extrudern können verschiedene Materialien so eingebracht und/oder dosiert werden, dass die Eigenschaften im späteren Formteil lokal unterschiedlich einstellbar sind. Vorteilhafterweise ist auf diesem Wege ein Formteil mit lokal unterschiedlichen Steifigkeiten herstellbar.
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Als Kunststoffmaterialien können vorteilhafterweise ein oder mehrere natürliche Kautschuke, künstlicher Kautschuk, Thermoplaste, Elastomere und/oder synthetische Harze eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft für die Schaffung flexibler Bereiche oder Zonen in einem Formteil sind Polyurethane und Silikone einsetzbar. Erstere sind in einem sehr breiten Spektrum an Eigenschaften einstellbar, so dass eine qualitativ hochwertige Verbindung aller zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Formteils eingesetzten Materialien erzeugt werden kann.
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Erfindungsgemäß können neben dem ersten und zweiten Kunststoffmaterial auch weitere Kunststoffmaterialien eingesetzt werden, wobei mindestens zwischen dem ersten und zweiten Kunststoffmaterial ein stofflicher Unterschied vorhanden sein muss, entweder, dass die beiden Kunststoffmaterialien unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, oder bei gleicher Zusammensetzung mindestens eines der Kunststoffmaterialien einen Zusatz aufweist.
Dieser Zusatz kann vorteilhafterweise ein elektrisch leitendes Material und/oder ein elektrisch isolierendes Material und/oder ein thermisch leitendes Material und/oder ein thermisch isolierendes Material sein.
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Der Zusatz in mindestens einem der Kunststoffe des erfindungsgemäßen Formteils ist auch deshalb besonders vorteilhaft, da damit eine weitere Funktionalisierung des Formteils erfolgen kann. Es werden somit nicht nur die ursächlichen Eigenschaften des Kunststoffs ausgenutzt, wie beispielsweise Elastizität, Steifigkeit, Festigkeit, Dämpfung, Hydrophobie, Hydrophilie, es können damit auch lokal begrenzt weitere unterschiedliche Eigenschaften in das Formteil integriert werden, wie beispielsweise eine lokale elektrische oder thermische Leitfähigkeit.
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Nach erfolgter partieller Einbettung und/oder Bedeckung der Faserbündel mit dem mindestens einen Kunststoffmaterial erfolgt vorteilhafterweise mittels Gießen, Vacuum Assisted Process (VAP) oder Resin Transfer Molding (RTM) die Einbettung der restlichen, zu diesem Zeitpunkt noch nicht eingebetteten Stellen der Preform. Dieser Prozess findet in einem mindestens einseitigen Formwerkzeug statt, wodurch das Formteil seine endgültige, optional auch mehrfach gekrümmte, geometrische Gestalt annimmt. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Einbringen des zweiten Kunststoffmaterials in die Preform unter Anwendung von Unterdruck realisiert wird. Nach Fertigstellung des Formteils sollen erfindungsgemäß alle Faserbündel in einem Kunststoff eingebettet sein, da sonst keine Verbindung zwischen den Faserbündeln und den Kunststoffen und auch zwischen den Kunststoffen erreicht werden kann. Nur durch die Durchdringung der Faserbündel mit Kunststoff und dessen Aushärtung wird eine ausreichende Verbindung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundes realisiert.
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Nach dem vorteilhaften Einbringen des mindestens zweiten Kunststoffmaterials mittels Vakuuminfiltration werden die mindestens beiden Kunststoffmaterialien vorteilhafterweise vollständig vernetzt und/oder ausgehärtet.
Dies kann vorteilhafterweise unter Temperatureinwirkung, UV-Strahlung, Elektronenstrahlung bei definierter Aushärtedauer oder durch die Beimischung eines Katalysators erfolgen.
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Von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren das mindestens erste und zweite Kunststoffmaterial mindestens stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Damit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Formteile herzustellen, welche an die jeweiligen Anwendungsanforderungen optimal angepasst werden können.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es damit möglich, unter reproduzierbaren Bedingungen kostengünstig eine Großzahl von komplexen Multi-Matrix-Faserverbund-Formteilen herzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch automatisierbar, vorteilhafterweise lassen sich die Verfahrensschritte vollautomatisch und/oder in einer Maschine durchführen.
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Auch Formteile, die für den Kontakt mit menschlicher Haut vorgesehen sind, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, da als Kunststoffmaterial auch „medical grade“-Silikon eingesetzt werden kann.
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Durch die präzise Dosierung und Positionierung der Kunststoffmaterialien sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich geringere Fertigungstoleranzen erzielbar als es mit bekannten Verfahren möglich ist oder wird die Herstellung komplexer Multi-Matrix-Faserverbund-Formteile überhaupt erst möglich.
Daraus resultiert ein ökonomisch und ökologisch wertvolles Herstellungsverfahren, das zeit- und resourcenschonend hochwertig funktionale Formteile aus einem Multi-Matrix-Faser-Kunststoff-Verbund realisiert.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemäßen Formteiles liegt beispielsweise in der Realisierung eines Formteiles mit einem Gelenk vor. Dazu wird mindestens ein elastisches Kunststoffmaterial linienförmig in oder auf die Preform gebracht, um an dieser Stelle des Formteils eine Gelenkigkeit herzustellen. Diese Gelenke können je nach Dimensionierung Auslenkungen von mehr als +/- 30° bereitstellen. Das Ausmaß an Gelenkigkeit lässt sich insbesondere durch die an entsprechender Stelle vorliegender Dicke der Preform, deren Faserorientierung und der verwendeten Materialien einstellen.
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Die Bauteile sind beispielsweise in der Orthopädietechnik, bei Sportgeräten oder dynamisch belasteten Bauteilen einsetzbar.
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Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
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Mittels des Tailored Fiber Placement Verfahrens wird eine erste Schicht mit Glasfasern als Verstärkungsfasern als Faserbündel in 0° Richtung (Längsrichtung) auf einem Trägermaterial aus Glasfasergewebe aufgebracht. Die Preform weist Abmessungen von 100 mm in der Längsrichtung und 200 mm in Querrichtung auf. Der Abstand der Verstärkungsfasern zueinander ist so gewählt, dass jede Verstärkungsfaserschicht nach der Konsolidierung eine Dicke von 1 mm zu der Gesamtdicke des späteren Formteils beiträgt. Die Bereiche von 0-40 mm, sowie 60 - 100 mm in Längsrichtung werden in einer zweiten Schicht zusätzlich über die gesamte Querlänge der Preform durch eine interleaved TFP-Faserverstärkung von ±45° verstärkt, wodurch sich in diesen Bereichen eine Gesamtdicke von 2 mm ergibt. Nun wird der nur 1 mm dicke Bereich der Preform von 40 - 60 mm in Längsrichtung Punkt für Punkt mit einem niedrigviskosen Polyurethan imprägniert, bis letztendlich ein 20 mm breiter Streifen über die gesamte Querrichtung mit Polyurethan benetzt ist. Die Imprägnierung der einzelnen Punkte geschieht durch den 3D-Druckkopf, der zunächst einen ringförmigen Bereich um die jeweilige Imprägnierungszone kompaktiert und dann in die Mitte der Zone das Polyurethan in die Zwischenräume der Glasfasern und des Trägermaterials einbringt. Im selben Bereich von 40 - 60 mm in Längsrichtung wird mit einem Polyurethan mit einer höheren Viskosität ein weiterer Millimeter in der Dicke aufgetragen, so dass auch in der Mitte des Formteils eine Gesamtdicke von 2 mm resultiert. Nachfolgend wird die partiell mit Polyurethan imprägnierte und bedeckte Preform für 20 Minuten bei 80°C teilvernetzt. Die Teilvernetzung unterbindet bei der Weiterverarbeitung ein Verlaufen des Polyurethans in die Bereiche außerhalb der 40 - 60 mm in Längsrichtung.
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Die noch unbenetzten, sogenannten „trockenen“ Zonen der partiell imprägnierten Preform werden in einem sich anschließenden RTM-Verfahren in einem ebenen Formwerkzeug mit einem Epoxidharz infiltriert. Die Infiltration mit Epoxidharz findet im Ofen bei 80°C statt. Nach erfolgter Infiltration verbleibt das Werkzeug für weitere 8 Stunden bei 80°C im Ofen, wobei das Epoxidharz und auch die noch nicht vernetzten Teile der beiden Polyurethansysteme gemeinsam vollständig vernetzen und einen Stoffschluss eingehen.
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Nach Entnahme des Formteiles aus der Form weist der zuvor partiell imprägnierte Bereich eine Gelenkigkeit von ±20° auf. Durch die Faserverstärkung in 0° Richtung im unteren Millimeter der 2 mm Gesamtdicke kann das Gelenk mit höheren Kräften in Längsrichtung belastet werden als es ohne diese Verstärkung möglich wäre.
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Beispiel 2
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Auf einer ebenen wasserlöslichen PVA-Folie als Trägermaterial werden Kohlefasern als Verstärkungsfaser in leicht sinusförmigen Wellen mittels des Tailored Fiber Placement Verfahrens sticktechnisch fixiert. Die Preform besitzt eine Abmessung von 100 mm in global gesehener Faserlängsrichtung und 80 mm in Querrichtung. Im Bereich von 25 - 75 mm in Längsrichtung wird über die gesamte Querrichtung ein Streifen der Preform mit einem Elastomer imprägniert.
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In einem sich anschließenden Schritt erfolgt analog zu Beispiel 1, jedoch im VAP-Verfahren, die Infiltration der restlichen noch unbenetzten Zonen der Preform mit Epoxidharz. Als Formwerkzeug hierfür kommt ein Halbzylinder zum Einsatz in dessen Innenseite die partiell imprägnierte Preform so eingelegt wird, dass die Seite mit 80 mm Kantenlänge gekrümmt im Werkzeug liegt. Es folgt analog zu Beispiel 1 die gemeinsame Aushärtung beider Matrixsysteme.
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Nach Entnahme des Formteils aus der Form wird das wasserlösliche Trägermaterial in einem Wasserbad aufgelöst. Das Ergebnis ist ein Formteil, dass ein progressives Steifigkeitsverhalten aufweist. Bei Belastung des Teils auf Zug in Längenrichtung des Halbzylinders richtet sich die wellenförmige Faserverstärkung mit zunehmender Längendehnung vermehrt in gerade Linien aus, wodurch die höheren Steifigkeiten der stark anisotropen Verstärkungsfasern zum Tragen kommen. Auf Druck belastet stellt sich ein gegenteiliger Effekt ein.
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Durch die zylindrische Krümmung des Bauteils wird eine Biegung des Teils selbst, wie in Beispiel 1, weitestgehend unterbunden, da eine solche Biegung für den hier betrachten Anwendungsfall unerwünscht ist.
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Beispiel 3
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Auf einer ebenen Polyamid-Folie als Trägermaterial wird ein Hybridgarn, zusammengesetzt aus Glasfasern und Polyamid-Filamenten, als Verstärkungsfasern mittels des TFP-Verfahrens in für eine orthopädische Armschiene belastungsgerechter, variabelaxialer Gestalt sticktechnisch fixiert. Die verschiedenen lokalen Faserorientierungen sind derart ausgelegt, dass eine hohe Steifigkeit bei geringer Masse des Formteils resultiert.
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Mit einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an strategisch günstigen Stellen polsterähnliche Strukturen auf die Preform als 3D-Geometrie aufgedruckt. Das TPU wird durch die Düse des Druckkopfes aufgeschmolzen und auf das Hybridgarn abgelegt. Die thermoplastischen Filamente des Hybridgarns schmelzen bei Kontakt mit dem TPU etwas an, wodurch sich beim Abkühlen der gedruckten Stelle einen Stoffschluss zwischen den beiden Materialien einstellt.
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Die auf diese Weise hergestellte partiell bedeckte Preform wird in ein der Armschiene entsprechendes zweiteiliges mehrfach gekrümmtes Negativformwerkzeug eingelegt. Nach Schließen des Werkzeugs wird darin ein Vakuum gezogen und das Werkzeug auf 240°C aufgeheizt, wobei sowohl die Polyamidfilamente des Hybridgarns als auch noch einmal das TPU aufschmelzen. Dabei gehen alle Materialien eine stoffschlüssige Verbindung ein. Sobald sich eine homogene Temperaturverteilung im Werkzeug eingestellt hat, kann das Werkzeug wieder abgekühlt werden und anschließend das fertige Multi-Matrix-Faserverbundbauteil entnommen werden. Durch die Polsterstrukturen aus TPU wird der Tragekomfort der orthopädischen Armschiene im Vergleich zu konventionellen Bauweisen gesteigert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005023320 A1 [0008]