DE102019204427A1 - Verfahren zur Herstellung von mit Fasern verstärkten Bauteilen aus Kunststoff - Google Patents

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung von mit Fasern verstärkten Bauteilen aus Kunststoff wird eine Bauteilstruktur (3) mit einem additiven Fertigungsverfahren mit einem Kunststoffwerkstoff so hergestellt, dass mindestens ein Kanal und/oder mindestens eine nutenförmige Vertiefung an einer Oberfläche der Bauteilstruktur (3) ausgebildet wird, der/die in mindestens einer Hauptbelastungsrichtung des fertig hergestellten Bauteils mindestens zweidimensional ausgerichtet ist. Nach Fertigstellung der Bauteilstruktur (3) wird ein Fasergarn oder ein schmales Faserhalbzeug (1), das mit einer nichtausgehärteten Kunststoffmatrix imprägniert worden ist, vollständig von einer Öffnung bis zur anderen Öffnung durch den mindestens einen Kanal oder von einem Ende bis zum anderen Ende in die mindestens eine nutenförmige Vertiefung eingeführt. Im Anschluss daran wird die Kunststoffmatrix ausgehärtet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Fasern verstärkten Bauteilen aus Kunststoff, mit dem eine belastungsgerechte Verstärkung additiv gefertigter Kunststoffbauteile erreicht werden kann.
  • Bauteile, die mit dem Verfahren hergestellt werden, können in sämtlichen Industriezweigen eingesetzt werden, insbesondere, wenn sich die Bauteil- und Technologieanforderungen folgendermaßen charakterisieren lassen:
    • - Geringe Stückzahlen (Prototyp oder Kleinserie),
    • - hohe Bauteilsteifigkeit und/oder Festigkeit erforderlich,
    • - hoher Leichtbaugrad erforderlich,
    • - komplexe Bauteilgeometrie,
    • - hohe Bauteilindividualität.
  • Additive Fertigungsverfahren bieten hohe Freiheiten für eine komplexe und individuelle konstruktive Bauteilgestaltung und sind aufgrund der werkzeuglosen additiven Fertigung besonders für die Prototypen- und Kleinserienherstellung geeignet. Der Einsatz additiv gefertigter Kunststoffbauteile unter hohen mechanischen Belastungen ist jedoch aufgrund der geringen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit der eingesetzten Kunststoffe nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht möglich. Daher entfällt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, womit das Einsatzgebiet der additiven Kunststofffertigung stark eingeschränkt ist.
  • Im Gegensatz dazu lassen sich durch faserverstärkte Kunststoffbauweisen hochbelastbare Leichtbaustrukturen realisieren. Diese weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Formgebung im Vergleich zur additiven Fertigung eingeschränkt ist und deren Herstellung eines Werkzeuges bedarf. Je nach Einsatzzweck und avisierter Stückzahl stehen verschiedene thermoplastische und duroplastische Fertigungstechnologien zur Verfügung. Diese erweisen sich jedoch sowohl für die Prototypen-, als auch für die Kleinserienfertigung als sehr zeit-, kosten- und handarbeitsintensiv.
  • Durch die Kombination additiver Fertigungsverfahren und faserverstärkter Kunststofftechnologien kann von den nachfolgend zusammengefassten Vorteilen beider Verfahren profitiert werden:
    • - Freie Formgebung durch individuelle konstruktive Bauteilgestaltung,
    • - werkzeuglose Fertigung und damit niedriger Zeit- und Kostenaufwand (für Prototypen und Kleinserienfertigung prädestiniert),
    • - herausragende strukturmechanische Eigenschaften (hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit von Fasermaterialien) ermöglichen Bauteile, die hohen mechanischen Belastungen unterliegen.
  • Die Verstärkung mit Kurzfasern ist bei vielen additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe möglich, allerdings reicht die damit verbundene Verbesserung der strukturmechanischen Eigenschaften in der Regel noch nicht für den Einsatz bei belasteten und leichten Strukturbauteilen aus. Es konnte sogar beobachtet werden, dass bei der Zugabe von Kurzfasern eine Verschlechterung der Z-Haftung von im Schichtprinzip hergestellten Bauteilen auftritt. Daher wird ein Verfahren angestrebt, das eine belastungsgerechte Verstärkung additiv gefertigter Bauteile durch Einsatz von Lang- und/oder Endlosfasern ermöglicht.
  • Bisherige Verfahren zur Integration von Endlosfasern in additiv gefertigte Bauteile werden beim Fused Layer Modeling-(FLM)-Verfahren angewendet und zielen auf die Imprägnierung und Einbettung der Endlosfasern während des Druckprozesses ab. Dabei wird ein Faserbündel mit Kunststoffschmelze ummantelt und über einen Druckkopf auf das Bauteil abgelegt. Eine solche Möglichkeit ist in US 2014/0328963 A1 offenbart.
  • Dadurch ist ein kommerzieller 3D-Drucker verfügbar, mit dem endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile additiv gefertigt werden können. Nachteilig ist jedoch, dass die Endlosfasern lediglich in einer gemeinsamen Ebene abgelegt werden können, was für die Mehrzahl der Anwendungsfälle keine belastungsgerechte Bauweise darstellt. Der Faservolumengehalt und damit die Bauteilfestigkeit sind sehr gering. Es ist gesonderte Anlagentechnik erforderlich und ein vorgefertigtes Kunststofffilament mit integrierten Fasern ist notwendig.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die additive Fertigung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff anzugeben, bei denen die Ausrichtung der in dem Kunststoff geführten Fasern an die Hauptbelastungsrichtung(en) des jeweiligen Bauteils angepasst und dadurch die Festigkeit und Steifigkeit von faserverstärkten Kunststoffbauteilen verbessert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Die Erfindung beschreibt eine Methode zur Verstärkung von additiv gefertigten Kunststoffstrukturen mit Fasern, die in der Bauteilstruktur so geführt werden, dass die Faserorientierung der/den Hauptbelastungsrichtung/en entspricht und dadurch die Festigkeit und Steifigkeit von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen verbessert werden kann. Die Faserorientierung ist unabhängig von der Druckrichtung während des additiven Fertigungsprozesses.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Bauteilstruktur mit einem additiven Fertigungsverfahren aus Kunststoff so hergestellt, dass mindestens ein Kanal und/oder mindestens eine nutenförmige Vertiefung (Aussparung) an einer Oberfläche der Bauteilstruktur ausgebildet wird, die in mindestens einer Hauptbelastungsrichtung des fertig hergestellten Kunststoffbauteils ausgerichtet ist. Nach Fertigstellung der Bauteilstruktur wird ein Fasergarn (Roving) oder ein schmales Faserhalbzeug (Band, Tape, Towpreg, als vorimprägnierte Faserbündel o.ä.), das mit einer nichtausgehärteten Kunststoffmatrix imprägniert worden ist, vollständig von einer Öffnung bis zur anderen Öffnung durch den mindestens einen Kanal oder von einem Ende bis zum anderen Ende entlang der mindestens einen nutenförmige Vertiefung geführt. Im Anschluss daran wird die Kunststoffmatrix ausgehärtet.
  • Als duroplastische Kunststoffmatrix können Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze oder Polyurethane eingesetzt werden. Das Aushärten der Kunststoffmatrix kann durch Vernetzungsreaktionen erreicht werden.
  • Anstelle einer Faserimprägnierung mit einem duroplastischen Harzsystemen kann auch ein thermoplastbasierter Hybridgarn - bestehend aus Filamenten der Verstärkungsfaser und eines Thermoplasts - oder ein textiles Halbzeug aus Hybridgarnen in das Bauteil geführt werden, dessen Kunststoffmatrix nach dem Einbringen in das Bauteil aufgeschmolzen und anschließend ausgehärtet wird. Dazu lassen sich etwa durch Anlegen eines elektrischen Stromes an Hybridgarne oder Hybridgarnhalbzeuge, die Kohlenstofffasern oder andere elektrische Leiter enthalten, Wärme erzeugen, die die Thermoplastmatrix plastifiziert und somit einen festen Faserverbund bildet. Als thermoplastische Kunststoffmatrix kommen prinzipiell alle Thermoplaste in Frage, insbesondere eignen sich jedoch Polyamide, Polypropylene, Polycarbonate, Polyetherimide, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Polylactide oder Polyetherketone.
  • Als Verstärkungsfasern lassen sich unabhängig von der Matrix je nach Anwendungsfall alle üblichen Verstärkungsfasern einsetzen. In der Regel können Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Natur- oder Metallfasern eingesetzt werden.
  • Die zu verstärkende Bauteilstruktur kann mit den üblichen additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen, z.B. Fused Layer Modelling, extrusionsbasiertem 3D-Druck, Selektivem Lasersintern, Polyjet oder Stereolithographie hergestellt werden.
  • Die Ausrichtung eines ausgebildeten Kanals oder einer nutenförmigen Vertiefung entlang der Hauptbelastungsrichtung kann dabei mehrfach die Richtung wechseln. Bei Richtungswechseln sollten Mindestradien eingehalten werden, die einen Faserbruch vermeiden. Bei Einhaltung von Mindestradien kann auch ein Richtungswechsel um bis zu 360 ° realisiert werden.
  • Das Fasergarn oder Faserhalbzeug kann vor dem Durchführen durch den mindestens einen Kanal oder das Einführen in die mindestens eine nutenförmige Vertiefung durch ein Bad, in dem die nichtausgehärtete Kunststoffmatrix enthalten ist, hindurch geführt werden.
  • Die Ausrichtung eins Kanals oder einer nutenförmigen Vertiefung sollte vor der additiven Herstellung der Bauteilstruktur zur Bestimmung mindestens einer Hauptbelastungsrichtung berechnet und im Anschluss daran die Fertigung des Bauteilhalbzeugs so gesteuert werden, dass der mindestens eine Kanal oder die mindestens eine nutenförmige Vertiefung dementsprechend ausgerichtet bei der additiven Fertigung ausgebildet werden kann. Dies kann beispielsweise durch Simulationsberechnungen, die zukünftige Belastungen des herzustellenden Kunststoffbauteils berücksichtigen, erreicht werden.
  • Dementsprechend werden auch die durch- oder eingeführten Fasergarne oder Faserhalbzeuge entsprechend den zu erwartenden Hauptbelastungen am jeweiligen Kunststoffbauteil ausgerichtet. Dadurch können insbesondere Zug- und/oder Biegebeanspruchungen berücksichtigt werden.
  • Es ist auch möglich, den mindestens einen Kanal im Bereich seiner Öffnungen sich in Richtung Oberfläche des Bauteil oder die Enden der mindestens einen nutenförmigen Vertiefung sich konisch erweiternd oder in diesem Bereich mit Konturelementen ausgebildet werden. Nach dem Durchführen oder Einführen des Fasergarns oder Textilhalbzeuges wird dabei der sich konisch erweiternde Bereich oder konturierte Bereiche werden mit der Kunststoffmatrix ausgefüllt, so dass eine stoff- und formschlüssige Verbindung in diesem Bereich erhalten wird, wenn die Kunststoffmatrix ausgehärtet worden ist. Diese Art der Verbindung an Enden von Kanälen oder nutenförmigen Verbindungen ermöglicht eine Ankerwirkung für Fasergarn oder das jeweilige Faserhalbzeug.
  • Bei dieser Art der Fixierung kann man vor dem Aushärten bis nach dem Aushärten der Kunststoffmatrix Zugkräfte auf das jeweilige Fasergarn oder Faserhalbzeug ausüben. So kann man vorgespannte Kunststoffbauteile erhalten, die insbesondere während des Einsatzes auftretende und auf das jeweilige Kunststoffbauteil wirkende Zugkräfte besser kompensieren können.
  • Nach dem Durch- oder Einführen sowie ggf. dem Aushärten der Kunststoffmatrix können nach außen überstehende Enden der Fasergarne oder Faserhalbzeuge (Textilhalbzeuge) abgetrennt werden.
  • Durch geometrische Zwänge o.ä. kann eine Umlenkung des Kraftflusses und somit der Faser- bzw. Kanalrichtung erforderlich sein, was aufgrund der hohen Geometriefreiheit bei der konstruktiven Gestaltung additiv gefertigter Bauteile sehr gut umsetzbar ist. Des Weiteren ist es möglich, bei dem beschriebenen Verfahren eine über den Bauteilverlauf variierende Kanalform zu wählen, was den Grad der Gestaltungsfreiheit weiter erhöht. Die Querschnittsfläche eines Kanals sollte so gewählt werden, dass mit einer entsprechenden Anzahl an Faserbündeln der gewünschte Faservolumengehalt und somit die avisierte Bauteilfestigkeit bzw. -steifigkeit erzielt wird.
  • Neben einer innen liegenden Kanalstruktur lassen sich die belastungsgerecht abgelegten Faserbündel auch in offene Kanäle, also nutenförmige Vertiefungen an der Bauteiloberfläche ablegen. Dies kann sowohl durch Faser- als auch Hybridhalbzeuge erfolgen.
  • Für die Anwendung des Verfahrens sind aufgrund der stets gegebenen Geometriefreiheit prinzipiell alle Verfahren zur Herstellung additiver Kunststoffbauteile geeignet (z.B. Fused Layer Modeling, selektives Lasersintern, Stereolithographie etc.). Das bei innenliegenden Strukturen erforderliche Stützmaterial (verfahrensabhängig) sollte vor dem Durchziehen von Fasergarn oder der Faserhalbzeuge entfernt werden bzw. sind die Kanäle oder nutenförmige Vertiefungen so zu gestalten, dass auf Stützmaterial verzichtet werden kann. Die Wahl des Faser-Matrix-Systems unterliegt keinerlei wesentlichen Beschränkungen (z.B. Kohlenstoff-, Glas-, Aramid oder Naturfasern mit thermo- oder duroplastischer Matrix).
  • Es können insbesondere imprägnierte Lang- und Endlosfasern mit einem hohen Faservolumengehalt in additiv gefertigte Kunststoffbauteile entsprechend der Hauptbelastungsrichtung/en eingebracht und deren Vorteile genutzt werden.
  • Mit Lang- und Endlosfasern können Fasergarne oder Faserhalbzeuge gebildet oder auch in Form von Endlosfaserbündeln bei der Erfindung eingesetzt werden.
  • Mit der Erfindung können eine gezielte belastungsgerechte Verstärkung additiv gefertigter Kunststoffbauteile, eine Realisierung topologieoptimierter Strukturen, eine Maximierung der Bauteilsteifigkeit und -festigkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Materialeinsatzes (Massereduzierung) sowie eine Erweiterung des Einsatzgebietes der additiven Fertigung auf mechanisch hoch belastbare Kunststoffbauteile erreicht werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • 1 in schematischer Form einen möglichen Ablauf bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Kunststoffbauteils und
    • 2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Kunststoffbauteils.
  • Gegenstand der Erfindung ist bei diesem Beispiel ein Verfahren zur Verstärkung additiv gefertigter Kunststoffbauteile mit imprägnierten Endlosfasern, die als Faserhalbzeug 1 in bündelform eingesetzt werden. Dabei wird innerhalb der Bauteilstruktur 3 eine Kanalstruktur durch ein additives Herstellungsverfahren ausgebildet. Dabei wechselt mindestens ein Kanal mehrfach die Richtung entsprechend der bei einem Einsatz des fertig hergestellten Kunststoffbauteils wirkenden Hauptbelastungsrichtungen.
  • Durch die Kanäle werden nach Beendigung des additiven Fertigungsprozesses der Bauteilstruktur 3 Faserhalbzeuge 1 als Endlosfaserbündel hindurch gezogen, was bei diesem Beispiel von Rolle zu Rolle erfolgt. Vor dem Einbringen der Endlosfasern in die Kanäle werden die Endlosfasern durch ein Harzbad 2 geführt und an ihren Oberflächen mit dem jeweiligen nicht ausgehärteten Harz beschichtet bzw. imprägniert. Das Durchziehen der Endlosfasern kann händisch oder mit Hilfe einer Zugvorrichtung 4 erfolgen. Abschließend härten die imprägnierten Endlosfaserbündel in der Bauteilstruktur 3 aus und sind innerhalb der Kanäle mit dem Bauteilwerkstoff des Kunststoffbauteils stoffschlüssig verbunden.
  • Die bauteilintegrierten Kanäle sind so innerhalb des Bauteiles angeordnet, dass die Ausrichtung der Endlosfasern der/den Hauptbelastungsrichtung/en entspricht, wie dies in 2 verdeutlicht ist.
  • Bei diesem Beispiel wurde das Bauteilhalbzeug aus Polycarbonat im Fused Layer Modeling-Verfahren hergestellt. Die Imprägnierung der Endlosfaserbündel erfolgte mit Epoxidharz als Harz und die Aushärtung des Harzes erfolgte durch Kalthärtung.
  • In 2 ist deutlich erkennbar, dass die Faserverstärkung des Kunststoffbauteils mit Faserbündeln entlang von Kantenbereichen, an denen größere Kräfte und Momente wirken, erfolgt und dabei auch Richtungsänderungen berücksichtigt sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0328963 A1 [0007]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung von mit Fasern verstärkten Bauteilen aus Kunststoff, bei dem eine Bauteilstruktur (3) mit einem additiven Fertigungsverfahren mit einem Kunststoffwerkstoff so hergestellt wird, dass mindestens ein Kanal und/oder mindestens eine nutenförmige Vertiefung an einer Oberfläche der Bauteilstruktur (3) ausgebildet wird, der/die in mindestens einer Hauptbelastungsrichtung des fertig hergestellten Bauteils mindestens zweidimensional ausgerichtet ist; und nach Fertigstellung der Bauteilstruktur (3) ein Fasergarn oder ein schmales Faserhalbzeug (1), das mit einer nichtausgehärteten Kunststoffmatrix imprägniert worden ist, vollständig von einer Öffnung bis zur anderen Öffnung durch den mindestens einen Kanal oder von einem Ende bis zum anderen Ende in die mindestens eine nutenförmige Vertiefung eingeführt und im Anschluss daran die Kunststoffmatrix ausgehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergarn oder Faserhalbzeug (1) vor dem Durchführen durch den mindestens einen Kanal oder das Einführen in die mindestens eine nutenförmige Vertiefung durch ein Bad (2), in dem die nichtausgehärtete Kunststoffmatrix enthalten ist, hindurch geführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Faserimprägnierung mit einem duroplastischen Harzsystem ein thermoplastbasiertes Hybridgarn - bestehend aus Filamenten der Verstärkungsfaser und eines Thermoplasts - oder ein textiles Halbzeug aus Hybridgarnen in den mindestens einen Kanal oder die mindestens eine Nut eingeführt wird, dessen Kunststoffmatrix nach dem Einbringen in den mindestens einen Kanal oder die mindestens eine nutenförmige Vertiefung aufgeschmolzen und anschließend ausgehärtet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergarne oder Faserhalbzeuge (1), die aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, einem in der Natur vorkommenden Material, oder einem Metall eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstruktur (3) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der Kunststoffmatrix durch Vernetzungsreaktionen erreicht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines Kanals oder einer nutenförmigen Vertiefung vor der additiven Herstellung der Bauteilstruktur (3) zur Bestimmung mindestens einer Hauptbelastungsrichtung berechnet und im Anschluss daran die Fertigung der Bauteilstruktur (3) so gesteuert wird, dass der mindestens eine Kanal oder die mindestens eine nutenförmige Vertiefung dementsprechend ausgerichtet bei der additiven Fertigung ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal im Bereich seiner Öffnungen sich in Richtung Oberfläche der Bauteilstruktur (3) oder die Enden der mindestens einen nutenförmigen Vertiefung sich konisch erweiternd oder in diesem Bereich mit Konturelementen ausgebildet wird/werden und nach dem Durchführen oder Einführen des jeweiligen Fasergarns oder des jeweiligen Faserhalbzeugs (1) der sich konisch erweiternde Bereich oder konturierte Bereiche mit der Kunststoffmatrix ausgefüllt werden, so dass eine stoff- und formschlüssige Verbindung in diesem Bereich erhalten wird, wenn die Kunststoffmatrix ausgehärtet worden ist.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aushärten bis nach dem Aushärten der Kunststoffmatrix Zugkräfte auf das jeweilige Fasergarn oder Faserhalbzeug (1) ausgeübt werden.
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