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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen faserverstärkten Schaumverbundbauteils. Bestandteil eines solchen faserverstärkten Schaumverbundbauteils sind unter mehreren Flachfaserbänder, beispielsweise unidirektionale (UD-) Flachfaserbänder. Auch ein faserverstärktes Schaumverbundbauteil ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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UD-Flachfaserbänder umfassen eine Mehrzahl von Filamenten. Filamente sind quasi-endlose Fasern und werden in der Regel synthetisch hergestellt, wobei eine Mehrzahl von Filamenten in Bündeln gleichzeitig hergestellt werden. Die Filamentbündel sind dabei auf Spulen gelagert. Die Spulen können auf Gattern entlang ihrer Längsachse drehend gelagert sein, sodass die Filamentbündel von ihrer jeweiligen Spule abgezogen werden können. Die Stärke von UD-Flachfaserbändern kann über die Anzahl der Filamentbündel definiert werden. Hierbei werden mehrere Filamentbündel zu einem größeren Filamentbündel gefacht, wobei eine flache Gestalt des gefachten Filamentbündels angestrebt wird. Nach dem Fachen werden die Filamente mit einer thermoplastischen Matrix getränkt, sodass die thermoplastische Matrix zwischen den einzelnen Filamenten aushärtet. UD-Flachfaserbänder zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit bei geringer Dichte aus. Die UD-Flachfaserbänder können zu textilen Flächengebilden wie beispielsweise Geweben oder Gelegen weiterverarbeitet werden. Die Flächengebilde werden zu faserverstärkten Verbundbauteilen weiterverarbeitet.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass auf einzelne Bereiche eines faserverstärkten Verbundbauteils ein Schaum aufgetragen wird, um akustisch und thermisch isolierende Eigenschaften des Verbundbauteils zu erreichen. Aufgrund der geringen Festigkeit von Schäumen ist das Auftragen des Schaums sehr arbeitsaufwändig, wodurch die Herstellungskosten als hoch einzuschätzen sind.
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Schaumbauteile nur eine begrenzte Oberfläche aufweisen, auf der faserverstärkte Strukturen angeordnet (z.B. aufgeklebt) werden können. Da Schaumbauteile eine geringe Biegesteifigkeit und Festigkeit aufweisen, ist ein kontrolliertes Anordnen von faserverstärkten Strukturen erschwert oder verhindert.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen faserverstärkten Schaumbestandteils bereitzustellen, welches kostengünstig und einfach in der Verfahrensführung ist. Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Schaumverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein faserverstärktes Schaumverbundbauteil bereitzustellen, welches sich kostengünstig und in einfacher Weise herstellen lässt, sowie zugleich eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Diese Aufgabe wird mit einem faserverstärkten Schaumverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen faserverstärkten Schaumverbundbauteils weist die folgenden Schritte auf:
- a. Erzeugen eines schäumbaren Flachfaserbandes durch Aufbringen eines schäumbaren Materials zumindest abschnittsweise auf ein mit thermoplastischem Matrixmaterial imprägniertes Flachfaserband oder Integrieren des schäumbaren Materials in das Matrixmaterial des mit Matrixmaterial imprägnierten Flachfaserbands;
- b. Anordnen einer ersten Materiallage des schäumbaren Flachfaserbandes auf einem Träger, wobei unter Einsatz von thermischer Energie auf einer dem Träger abgewandten Seite des schäumbaren Flachfaserbands aus dem schäumbaren Material eine Schaumlage gebildet wird;
- c. Anordnen einer zweiten Materiallage des schäumbaren Flachfaserbands auf der Schaumlage des ersten Materiallage;
- d. Stoffschlüssiges Verbinden der zweiten Materiallage mit der Schaumlage der ersten Materiallage unter Einsatz von thermischer Energie und unter Aufbringung einer in Richtung des Trägers applizierten Anpressdruckkraft auf die zweite Materiallage.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist unter einem „Flachfaserband“ ein UD-Flachfaserband (UD-Tape) zu verstehen. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Flachfaserband bereits mit einem schäumbaren Material versehen wird, bevor es zu einem faserverstärkten Schaumverbundbauteil weiterverarbeitet wird (schäumbares Flachfaserband). Das schäumbare Material kann Additive enthalten, welche bei Wärme oder Beaufschlagung mit Strahlung reagieren oder aktiviert werden. Ein Umformen des schäumbaren Materials zu einem Schaum wird während der Herstellung des Schaumverbundbauteils realisiert. Dadurch ist der Herstellungsprozess weniger kostenintensiv und arbeitsaufwendig.
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Als Schaumlage wird eine Anordnung des ausgebildeten Schaums auf dem Flachfaserband bezeichnet. Bevorzugt sind die erste Materiallage und die zweite Materiallage gleichartig ausgebildet, können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein. So ist es beispielsweise möglich, dass die erste Materiallage eine erste Faserart (z.B. kohlenstoffbasierte Fasern) umfasst und die zweite Materiallage eine zweite (anderweitige) Faserart (z.B. glasbasierte Fasern) aufweist. Die Herstellung eines solchen faserverstärkten Schaumverbundbauteils ist deutlich weniger kostenintensiv und arbeitsaufwendig. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten faserverstärkten Schaumverbundbauteile weisen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten, mit Schaum beaufschlagten faserverstärkten Verbundbauteilen verbesserte mechanische, akustische und isolierende Eigenschaften auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können strukturell verstärkte Bauteile mit gleichzeitig isolierenden Eigenschaften hergestellt werden, wofür bisher mehrere Prozessschritte notwendig waren. Die schäumbaren Flachfaserbänder können in verschiedenen Prozessschritten und Verarbeitungsmaschinen integriert und weiterverarbeitet werden, ohne dass Veränderungen an Maschinen oder Verfahren notwendig sind. Es ist auch möglich, das schäumbare Material gezielt (d.h. nur bereichsweise) auf dem Flachfaserband anzuordnen, wodurch die benötigten Materialmengen und somit auch die Herstellungskosten weiter verringert werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Einsatz eines ATL (automated tape laying) Verfahrens ausgeführt werden. Die Flachfaserbänder können auch mittels eines Formpressverfahrens, eines Spritzgießverfahrens und vergleichbaren Verfahren weiterverarbeitet werden, solange eine Schaumbildung ermöglicht ist.
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Nachfolgend seien vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale beschrieben.
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Nach einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Werkzeug oder ein Bauteilsubstrat als Träger verwendet wird. Vorzugsweise ist das Werkzeug wiederverwendbar. Üblicherweise umfasst das Werkzeug eine metallische Legierung. Bei dem Werkzeug kann es sich z. B. um eine Werkzeughälfte eines Spritzgusswerkzeugs handeln, beispielsweise um eine Oberfläche einer Kavität eines Spritzgusswerkzeugs. Anders als das Werkzeug, kann das Bauteilsubstrat mit dem erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteil eine festverbundene Einheit bilden, sodass das Bauteilsubstrat und das erfindungsgemäße Schaumverbundbauteil ein gemeinsames Bauteil ausbilden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erstellung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das schäumbare Material ein Treibmittel umfasst. Das Treibmittel kann ein chemisches und/oder physikalisches Treibmittel sein. Das Treibmittel ist dazu ausgelegt, eine Schäumung des schäumbaren Materials zu einem Schaum zu bewirken. Das Treibmittel kann ein Gas bilden, beispielsweise Kohlendioxid, wodurch sich das schäumbare Material ausdehnt und eine Volumenexpansion erfährt. Dabei kann das Gas in entstehenden Hohlräumen des schäumbaren Materials eingeschlossen werden und im Schaum verbleiben. Die Schaumbildung kann über einen Energieeintrag, über einen Anpressdruck, über Art und Menge des Treibmittels sowie die Materiallagenstärke eingestellt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das schäumbare Material in Form eines Films auf eine Oberfläche des mit thermoplastischem Matrixmaterial imprägnierten Flachfaserbands aufgebracht wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des schäumbaren Materials auf dem Flachfaserband erreicht. Ein „Film“ meint hier eine flächenhafte Beaufschlagung des filmbildenden Materials (des schäumbaren Materials). Es ist auch möglich, dass die Filmbeschichtung in Abhängigkeit des zu fertigenden Bauteils gezielt (d.h. nur auf bestimmte Bereiche oder Abschnitte des Flachfaserbands) aufgetragen wird, sodass die benötigte Materialmenge und dadurch auch Kosten reduziert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Anpressdruck über eine Druckwalze appliziert wird. Die Breite bezogen auf die Drehachse der Druckwalze (also die Druckwalzenbreite) entspricht dabei mindestens der Breite des erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils, sodass eine ausreichende stoffschlüssige Verbindung über die gesamte Breite des Schaumverbundteils gewährleistet werden kann. Auch ist es möglich, dass mehrere Druckwalzen den Anpressdruck auf die Materiallagen applizieren. Des Weiteren ist es möglich, dass die Aufbringung des Anpresspressdrucks über eine Stempelpresse erfolgt oder ein anderes Mittel, solange dieses geeignet ist, einen ausreichenden Anpressdruck in Richtung des Trägers zu bewirken, sodass die Materiallagen stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die thermische Energie über eine Strahlungsquelle oder Wärmequelle aufgebracht wird. Bei der Strahlungsquelle kann es sich z. B. um eine Infrarotstrahlungsquelle handeln. Auch Strahlung anderer Frequenzen kann zur Erzeugung der thermischen Energie eingesetzt werden. Die Wärmequelle kann z. B. ein Heizkeil, Heißluft oder jedes andere Mittel sein, solange dieses dazu geeignet ist, eine ausreichende Erwärmung der Materiallagen zu bewirken, sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Materiallagen hergestellt wird.
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Ein erfindungsgemäßes faserverstärktes Schaumverbundbauteil, welches nach den vorangehend genannten Merkmalen hergestellt ist, umfasst eine Schichtenfolge, die gebildet ist aus alternierend angeordneten Lagen eines mit thermoplastischem Material imprägnierten Flachfaserbands und eines Schaums, wobei benachbarte Lagen des Flachfaserbands und des Schaums stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Materiallagen sind übereinander abgelegt, sodass die Dicke eines erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils darüber definiert werden kann. Im Vergleich zu bekannten mit Schaum beaufschlagten faserverstärkten Verbundbauteilen weist das erfindungsgemäße faserverstärkte Schaumverbundbauteil verbesserte mechanische, akustische und isolierende Eigenschaften auf.
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Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren. Diese sollen nicht einschränkend zu verstehen sein, sondern zeigen lediglich Prinzipdarstellungen der Erfindung. In den lediglich Ausführungsbeispiele wiedergebenden Zeichnungen zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Produktionsanlage des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines schäumbaren Flachfaserbands,
- 2 eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer Produktionsanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Produktionsanlage des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des schäumbaren Flachfaserbands,
- 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils,
- 5 eine schematische Darstellung eines gemäß dem Verfahren nach 4 hergestellten Schaumverbundbauteils und
- 6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer gemäß der Erfindung zum Einsatz kommenden Produktionsanlage 20 zur Herstellung eines schäumbaren Flachfaserbands 24. Ein Gatter 22 ist in einer Produktionsrichtung v angeordnet. Das Gatter 22 ist ein Gestell, auf welchem eine Mehrzahl von Spulen axial drehend gelagert ist. Die Spulen stellen Speicher für jeweils ein trockenes Flachfaserband 24 bereit. Das trockene Flachfaserverband 24 umfasst eine Mehrzahl von unidirektional ausgerichteten Filamenten. Die trockenen Flachfaserbänder 24 werden zu einem Strang gefacht und durch eine Imprägnierstation 26 geleitet. In der Imprägnierstation 26 werden die trockenen Flachfaserbänder 24 mit einem thermoplastischen Matrixmaterial imprägniert. Das Matrixmaterial umfasst einen thermoplastischen Kunststoff, sodass die trockenen Flachfaserbänder 24 zu imprägnierten Flachfaserbändern 24 weiterverarbeitet werden. Die mit thermoplastischem Matrixmaterial imprägnierten Flachfaserbänder 24 werden über drei Umlenkrollen 28 geleitet. Der Transport der Flachfaserbänder 24 erfolgt über einen Abzug 30 in Produktionsrichtung v. Der Abzug 30 umfasst zwei Abzugsrollen. In Produktionsrichtung v hinter dem Abzug 30 ist ein erster Schaumspeicher 32a angeordnet. In dem ersten Schaumspeicher 32a ist ein schäumbares Material 34 gespeichert. Das schäumbare Material 34 wird dosiert auf das imprägnierte Flachfaserband 24 aufgebracht, sodass nach dem ersten Schaumspeicher 32a in Produktionsrichtung v das imprägnierte Flachfaserband 24 zu einem schäumbaren Flachfaserband 24 weiterverarbeitet ist.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts des ersten Ausführungsbeispiels aus 1 gezeigt. 2 zeigt die Produktionsanlage 20 ab dem Abzug 30 in Produktionsrichtung v. Das imprägnierte Flachfaserband 24 wird zwischen den Abzugsrollen des Abzugs 30 hindurchgeführt und aufgrund einer Rotation der Abzugsrollen in Produktionsrichtung v weitertransportiert. Über den ersten Schaumspeicher 32a wird das schäumbare Material 34 auf dem imprägnierten Flachfaserband 24 abgelegt, sodass das imprägnierte Flachfaserband 24 und das schäumbare Material 34 das schäumbare Flachfaserband 24 bilden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Produktionsanlage 20 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des schäumbaren Flachfaserbands 24. Das zweite Ausführungsbeispiel stimmt in den wesentlichen Merkmalen mit denen des ersten Ausführungsbeispiels überein.
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Anders ist, dass das zweite Ausführungsbeispiel keine separate Imprägnierstation 26 und keinen ersten Schaumspeicher 32a aufweist. In Produktionsrichtung v ist nach dem Gatter 22 ein zweiter Schaumspeicher 32b mit integrierter Imprägnierstation 26 angeordnet. Das thermoplastische Matrixmaterial und das schäumbare Material 34 sind vermischt und werden in einem gemeinsamen Prozessschritt auf das trockene Flachfaserband 24 aufgetragen, sodass das trockene Flachfaserband 24 direkt zu einem schäumbaren Flachfaserband 24 weiterverarbeitet wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen ersten Schaumverbundbauteils 40. Auf einem Träger 35, welcher beispielsweise ein Werkzeug oder ein Bauteilsubstrat sein kann, sind mehrlagig schäumbare Flachfaserbänder 24 abgelegt. Das erste Schaumverbundbauteil 40 weist separate Schichten aus Flachfaserbändern 24 und des Schaums 39a auf. Der Schaum 39a wird aus dem schäumbaren Material 34 über eine Druckkraft F und einen Energieeintrag 37 gebildet, wobei die Druckkraft F und der Energieeintrag 37 im Wesentlichen zeitgleich auf einen definierten Abschnitt des schäumbaren Flachfaserbandes 24 einwirken. Dabei wird Wärme mittels Strahlung auf die Grenzfläche aufgebracht, sodass die chemischen und/oder physikalischen Treibmittel reagieren und sich ausdehnen, wodurch das umgebende Material aufschäumt und eine Schaumlage 39b ausbildet. In Produktionsrichtung v ist eine Druckwalze 38 angeordnet. Die Druckwalze 38 übt eine Druckkraft F in Richtung des Trägers 35 aus. In Produktionsrichtung v ist hinter der Druckwalze 38 eine Strahlungsquelle 36 angeordnet, die einen Energieeintrag 37 bewirkt. Die Strahlungsquelle 36 kann eine Infrarotstrahlungsquelle sein. Auch ist jede andere thermische Wärmequelle verwendbar, solange ihre Wärmeleistung ausreichend für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schaumverbundmaterialien 40 (5) ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 4 erfolgt der Energieeintrag 37 von unten auf das schäumbare Flachfaserband 24. Dadurch wird der bereits gebildete Schaum einer unteren Lage des erfindungsgemäßen ersten Schaumverbundmaterials 40 (5) oberflächlich wieder aufgeschmolzen. Durch die Druckkraft F werden die jeweiligen Schaumverbundmaterialien 40 (5) miteinander verbunden, wobei eine stoffschlüssige Verbindung nach einem Abkühlen des aufgeschmolzenen Schaums 39a entsteht. Der Energieeintrag 37 bewirkt auch eine ausreichende Erwärmung des schäumbaren Flachfaserbandes 24, sodass sich das schäumbare Material 34 nach einem Passieren der Druckwalze 38 zu einem Schaum 39a ausbilden kann. Die Schichthöhe des Schaums 39a wird durch eine weitere, auf ihr angeordneten Materiallage begrenzt. Des Weiteren wird die Schichthöhe des Schaums 39a über die Druckkraft F bestimmt. Das fertige Schaumverbundbauteil 40 kann entlang der Produktionsrichtung v' abgezogen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass das Schaumverbundbauteil 40 fest auf dem Träger 35 angeordnet ist und sich die Druckwalze 38 sowie die Strahlungsquelle 36 in Produktionsrichtung v bewegen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils 40. Die Stärke t des mehrlagigen Schaumverbundmaterials 40 wird über die Anzahl der übereinander angeordneten schäumbaren Flachfaserbänder 24 definiert. Deutlich erkennbar sind die unterschiedlichen Lagen aus dem Flachfaserband 24 und dem Schaum 39a. Es ist auch möglich, dass sich der Schaum 39a teilweise in das imprägnierte Flachfaserband 24 erstreckt.
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In 6 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schaumverbundbauteils 41 gezeigt, welches unter Einsatz einer Produktionsanlage 20 gemäß 3 hergestellt wurde. Bei diesem Schaumverbundbauteil 41 ist das schäumbare Flachfaserband 24 nahezu vollständig im Schaum 39a integriert. Dadurch, dass das schäumbare Material 34 im Matrixmaterial integriert ist, kann das schäumbare Material 34 das trockene Flachfaserband 24 vollständig umfassen und ggf. das trockene Flachfaserband zumindest partiell durchsetzen. Die Herstellung erfolgt hierbei analog nach den in 4 beschriebenen Merkmalen, wobei die Flachfaserbänder 24 unter einer Zugspannung verarbeitet werden können, um die korrekte Anordnung der Flachfaserbänder 24 während der Weiterverarbeitung zu Schaumverbundbauteilen 41 zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Produktionsanlage
- 22
- Gatter
- 24
- Flachfaserband (trocken, imprägniert, schäumbar)
- 26
- Imprägnierstation
- 28
- Umlenkrollen
- 30
- Abzug
- 32a
- erster Schaumspeicher
- 32b
- zweiter Schaumspeicher
- 34
- schäumbares Material
- 35
- Träger
- 36
- Strahlungsquelle
- 37
- Energieeintrag
- 38
- Druckwalze
- 39a
- Schaum
- 39b
- Schaumlage
- 40
- erstes Schaumverbundbauteil
- 41
- zweites Schaumverbundbauteil
- F
- Druckkraft
- v, v'
- Produktionsrichtung
- t
- Stärke des mehrlagigen Schaumverbundbauteils
