DE102020206033A1 - Process for the production of a fiber-reinforced material composite of plastic films and fiber material as well as material composite - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Materialverbunds (1), der gebildet wird aus Kunststoff und Fasermaterial.
Um ein kostengünstiges und gleichzeitig einfaches Verfahren zur Herstellung eines solchen, gegenüber dem Stand der Technik in seinen mechanischen Eigenschaften verbesserten, faserverstärkten Materialverbunds (1) vorzuschlagen, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Materialverbund (1) in Form einer Schichtstruktur ausgebildet wird, wobei das Fasermaterial zur Ausbildung der Schichtstruktur zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) angeordnet und mit der Kunststofffolie der jeweiligen Kunststofffolien-Lage (4a, 4b) verbunden wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Materialverbund (1) aus Kunststoff und Fasermaterial, wobei der Materialverbund (1) in Form einer Schichtstruktur ausgebildet ist, und wobei das Fasermaterial zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) angeordnet und mit der Kunststofffolie der Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) verbunden ist.

Figure DE102020206033A1_0000
The present invention relates to a method for producing a fiber-reinforced material composite (1) which is formed from plastic and fiber material.
In order to propose a cost-effective and at the same time simple method for producing such a fiber-reinforced material composite (1) with improved mechanical properties compared to the prior art, the method according to the invention provides that the material composite (1) is designed in the form of a layer structure, wherein the fiber material for forming the layer structure is arranged between two plastic film layers (4a, 4b) and is connected to the plastic film of the respective plastic film layer (4a, 4b).
The invention also relates to a composite material (1) made of plastic and fiber material, the composite material (1) being designed in the form of a layer structure, and the fiber material being arranged between two plastic film layers (4a, 4b) and with the plastic film of the plastic film layers (4a, 4b) is connected.
Figure DE102020206033A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Materialverbunds, der gebildet wird aus Kunststoff und Fasermaterial. Ferner betrifft die Erfindung einen Materialverbund aus Kunststoff und Fasermaterial.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced material composite which is formed from plastic and fiber material. The invention also relates to a composite material made of plastic and fiber material.

Aus dem Stand der Technik, z. B. der EP2165821B1 , ist ein Verfahren bekannt, bei dem Polymerfolien durch Fasermaterial einseitig verstärkt werden können. Dazu wird eine Polymerfolie aufgeheizt und mit ausgerichteten Faserstücken belegt. Zur Ausrichtung der Faserstücke wird ein Vibrations-Element verwendet. Die Temperatur der Polymerfolie liegt dabei in der Nähe ihres Schmelzpunktes und die Fasern werden zusätzlich imprägniert, so dass die Fasern an der Polymerfolie haften bleiben und anschließend in dem Polymer der Folie versinken. Die so hergestellte Folie wird auch als Organofolie bezeichnet und stellt ein Halbzeug bereit, welches in geeigneten Weiterverarbeitungsschritten weiterverarbeitet werden kann. So können aus Organofolien kostengünstig Laminate hergestellt, oder diese durch Tiefziehprozesse zu dreidimensionalen Strukturen weiterverarbeitet werden. Das Verfahren ist besonders zum recyclen von Faserstücken und Kurzfasern geeignet.From the prior art, e.g. B. the EP2165821B1 , a method is known in which polymer films can be reinforced on one side by fiber material. For this purpose, a polymer film is heated and covered with aligned pieces of fiber. A vibration element is used to align the fiber pieces. The temperature of the polymer film is close to its melting point and the fibers are also impregnated so that the fibers adhere to the polymer film and then sink into the polymer of the film. The film produced in this way is also referred to as an organic film and provides a semi-finished product which can be further processed in suitable further processing steps. In this way, laminates can be produced inexpensively from organic films, or these can be further processed into three-dimensional structures using deep-drawing processes. The process is particularly suitable for recycling pieces of fiber and short fibers.

Nach einem derartigen Verfahren hergestellte faserverstärkte Folien haben den Nachteil, dass die Fasern inhomogen im Material verteilt sind und eine Imprägnierung notwendig wird, damit die Fasern vom Polymer umschlossen werden. Auch das Umschließen oder Einbetten der Fasern mit dem genannten Polymer kann nicht immer zuverlässig gewährleistet werden. Daher lassen sich die genannten Verfahren zwar zum kostengünstigen Herstellen von faserverstärkten Polymerfolien oder zum Recyclen von Fasern verwenden, die damit erzeugten Bauteile weisen aber deutliche Schwächen im Bereich der mechanischen Stabilität auf.Fiber-reinforced foils produced by such a method have the disadvantage that the fibers are inhomogeneously distributed in the material and impregnation is necessary so that the fibers are enclosed by the polymer. Enclosing or embedding the fibers with the named polymer cannot always be reliably guaranteed either. Therefore, although the processes mentioned can be used for the cost-effective production of fiber-reinforced polymer films or for the recycling of fibers, the components produced with them have significant weaknesses in the area of mechanical stability.

Die Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein kostengünstiges und gleichzeitig einfaches Verfahren zur Herstellung eines, gegenüber dem Stand der Technik, in seinen mechanischen Eigenschaften verbesserten faserverstärkten Materialverbunds sowie einen derart gefertigten Materialverbund vorzuschlagen.The object of the invention is accordingly to propose a cost-effective and at the same time simple method for producing a fiber-reinforced material composite with improved mechanical properties compared to the prior art, as well as a material composite manufactured in this way.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Materialverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and a material composite with the features of claim 13.

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.It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically meaningful way (also across category boundaries, for example between method and device) and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.

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.It should also be pointed out that a conjunction “and / or” used here between two features and linking them must always be interpreted in such a way that only the first feature can be present in a first embodiment of the subject matter according to the invention, in a second embodiment only the second feature can be present and, in a third embodiment, both the first and the second feature can be present.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Fasermaterial zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen eingebettet wird, wodurch einerseits eine gleichmäßige Verteilung von Fasermaterial im Materialverbund ermöglicht wird. Auch lassen sich andererseits gezielt Teilbereiche des Materialverbunds verstärken, in denen eine Materialverstärkung notwendig oder erwünscht ist. Ferner wird durch die Einbettung des Fasermaterials zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen ein unerwünschter Austrag oder Abrieb von Fasermaterial vermieden. Die Langlebigkeit eines auf diese Weise erzeugten Bauteils wird damit verbessert.It is essential for the invention that the fiber material is embedded between two plastic film layers, which on the one hand enables a uniform distribution of fiber material in the composite material. On the other hand, partial areas of the composite material can also be specifically reinforced in which material reinforcement is necessary or desired. Furthermore, by embedding the fiber material between two plastic film layers, undesired discharge or abrasion of fiber material is avoided. The longevity of a component produced in this way is thus improved.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Materialverbunds wird dieser aus Kunststoff und Fasermaterial gebildet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund in Form einer Schichtstruktur ausgebildet wird, wobei das Fasermaterial zur Ausbildung der Schichtstruktur zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen angeordnet und mit den Kunststofffolien der jeweiligen Kunststofffolien-Lagen verbunden wird. Bei dem Materialverbund wird dabei aus dem Kunststoff der Kunststofffolien-Lagen, beispielsweise einem thermoplastischen Kunststoff, eine Matrix für das Fasermaterial bereitgestellt (in einem verfahrensgemäß erzeugten Materialverbund stellt der Kunststoff also eine Matrix für das Fasermaterial bereit). Thermoplastische Kunststoffe bieten sich an, da diese in einen Schmelzezustand gebracht werden können, in welchem sie feste Körper, beispielsweise das Fasermaterial, aufnehmen und umschließen können, um anschließend im abgekühlten Zustand einen zusammenhängenden festen Körper zu bilden, in welchem das Fasermaterial eingebettet ist. Ganz allgemein kann hierzu jedoch jegliche Art von Kunststoff verwendet werden. Die verwendeten Kunststoffe müssen lediglich dazu geeignet sein, in einem bestimmten Zustand Fasermaterial einschließen bzw. einbetten zu können. Dazu können beispielsweise Duroplaste und Elastomere zählen, wobei die Verwendung thermoplastischer Kunststoffe erfindungsgemäß bevorzugt ist. Auch können Kunststoffe oder anderweitige Stoffe bzw. Stoffgemische verwendet werden, welche bei Raumtemperatur flüssig oder pastös sind und erst in Folge einer Aushärtung einen Festkörper bilden. Die letztgenannte Aushärtung kann chemisch oder physikalisch erfolgen, wobei mit einer physikalischen Aushärtung insbesondere eine auf einer Evaporation eines Lösemittels beruhende Trocknung gemeint sein kann.In a method according to the invention for producing a fiber-reinforced material composite, this is formed from plastic and fiber material. The method is characterized in that the material composite is formed in the form of a layer structure, the fiber material for forming the layer structure being arranged between two plastic film layers and being connected to the plastic films of the respective plastic film layers. In the material composite, a matrix for the fiber material is provided from the plastic of the plastic film layers, for example a thermoplastic plastic (in a material composite produced according to the method, the plastic thus provides a matrix for the fiber material). Thermoplastic plastics are suitable because they can be brought into a melted state in which they can absorb and enclose solid bodies, for example the fiber material, in order to then form a coherent solid body in which the fiber material is embedded when the fiber material is cooled down. In general, however, any type of plastic can be used for this purpose. The plastics used only have to be suitable for being able to enclose or embed fiber material in a certain state. These can include, for example, thermosets and elastomers, the use of thermoplastics being preferred according to the invention. Also plastics or other substances or mixtures of substances are used which are liquid or pasty at room temperature and only form a solid after curing. The last-mentioned curing can take place chemically or physically, with physical curing in particular being able to mean drying based on evaporation of a solvent.

Den Materialverbund zeichnet eine Schichtstruktur aus, worunter zu verstehen ist, dass oberhalb und unterhalb des eingebrachten Fasermaterials Kunststoffmaterial bzw. eine Kunststofffolien-Lage vorhanden ist. Bereichsweise kann die Schichtstruktur auch frei von Fasermaterial sein. Ein so gefertigter Materialverbund kann also faserverstärkte Teilbereiche und nicht-faserverstärkte Teilbereiche aufweisen. Auch kann der Materialverbund über vollständig faserverstärkt sein.The composite material is characterized by a layer structure, which is to be understood as the fact that plastic material or a plastic film layer is present above and below the introduced fiber material. In some areas, the layer structure can also be free of fiber material. A composite material produced in this way can therefore have fiber-reinforced partial areas and non-fiber-reinforced partial areas. The composite material can also be completely fiber-reinforced.

In den faserverstärkten Bereichen ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoff die Fasern im Wesentlichen umschließt. Verfahrensgemäß wird das Fasermaterial zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen angeordnet, mit den Kunststofffolien der Kunststofffolien-Lagen verbunden und beispielsweise formschlüssig vom Kunststoffmaterial der Kunststofffolien-Lagen umgeben. Die genannte „Verbindung“ kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch thermisches Aufschmelzen des Kunststoffs und Umgeben des Fasermaterials durch die Kunststoffschmelze. Die zwei Kunststofffolien-Lagen müssen dabei nicht zwangsweise zwei einzelne Folien sein, sondern die Lagen können auch durch Faltung einer Folie geschaffen werden. Auch können die einzelnen Kunststofffolien-Lagen mehrere Schichten umfassen.In the fiber-reinforced areas, it is advantageous if the plastic essentially encloses the fibers. According to the method, the fiber material is arranged between two plastic film layers, connected to the plastic films of the plastic film layers and, for example, surrounded by the plastic material of the plastic film layers in a form-fitting manner. The mentioned “connection” can be made in different ways, for example by thermal melting of the plastic and surrounding the fiber material by the plastic melt. The two plastic film layers do not necessarily have to be two individual films, but the layers can also be created by folding a film. The individual plastic film layers can also comprise several layers.

Nachfolgend seien die in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen sowie weitere vorteilhafte (oder mögliche) Ausgestaltungen des mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens im Detail beschrieben. Wie erwähnt, können die nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen auch Ausgestaltungen des ebenfalls mit der Erfindung beanspruchten Materialverbunds darstellen.The advantageous refinements specified in the subclaims and further advantageous (or possible) refinements of the method proposed by the invention are described in detail below. As mentioned, the configurations described below can also represent configurations of the composite material also claimed by the invention.

Nach einer ersten Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Fasermaterial durch Einbringung thermischer Energie mit der Kunststofffolie verbunden wird, wobei die Einbringung der thermischen Energie dahingehend erfolgt, dass die Temperatur der Kunststofffolie beim Verbinden des Fasermaterials mit der Kunststofffolie oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegt. Sofern die Kunststofffolien bzw. das diesen zugrunde liegende Kunststoffmaterial schmelzfähig ist und einen Schmelzpunkt aufweist, bietet es sich an, die Kunststofffolien auf Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes oder darüber hinaus zu erwärmen und anschließend das Fasermaterial zwischen den Kunststofffolien-Lagen einzubringen. So kann der fließfähige Kunststoff die Fasern des Fasermaterials umgeben und die Fasern vollständig umschließen. Auch kann auf diese Weise eine physikalische Verbindung (in Form von Bindungskräften) zwischen den Fasern des Fasermaterials und dem Kunststoffmaterial der Kunststofffolien-Lagen bereitgestellt werden, welche den mechanischen Eigenschaften des Materialverbunds zuträglich ist. Das Erwärmen des Kunststoffmaterials der Kunststofffolien-Lagen kann dabei durch Wärmeleitung, Konvektionswärme oder Wärmestrahlung erfolgen. Es kann auch von Vorteil sein, wenn nur ein kleiner, abgegrenzter Bereich der Folien erwärmt wird, so dass eine erschwerte Handhabung von aufgeschmolzenen, biegeweichen Folien auf ein Minimum begrenzt wird.According to a first embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the fiber material is connected to the plastic film by introducing thermal energy, the thermal energy being introduced to the effect that the temperature of the plastic film when connecting the fiber material to the plastic film is above its Melting temperature is. If the plastic film or the plastic material on which it is based is meltable and has a melting point, it is advisable to heat the plastic film to temperatures close to or above the melting point and then to introduce the fiber material between the plastic film layers. In this way, the flowable plastic can surround the fibers of the fiber material and completely enclose the fibers. In this way, a physical connection (in the form of binding forces) between the fibers of the fiber material and the plastic material of the plastic film layers can also be provided, which is beneficial to the mechanical properties of the material composite. The plastic material of the plastic film layers can be heated by conduction, convection heat or thermal radiation. It can also be advantageous if only a small, delimited area of the foils is heated so that difficult handling of melted, flexible foils is limited to a minimum.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Kunststofffolien-Lagen durch separate Kunststofffolien gebildet werden. Es kann von Vorteil sein, dass die beiden Kunststofffolien-Lagen nicht durch eine Faltung einer einzigen Folie bereitgestellt werden, sondern durch zwei separate Folien. So kann beispielsweise auf eine Falteinrichtung oder eine technisch aufwendige Zufuhr des Fasermaterials in eine Fertigungseinheit verzichtet werden. Auch sind damit Materialkombinationen aus zwei verschiedenen Kunststoffarten für die jeweiligen Kunststofffolien-Lagen realisierbar. Auf diese Weise können Folien mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften zu einem Materialverbund zusammengefügt werden, der die Vorteile beider Folienmaterialien in sich vereint.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the plastic film layers are formed by separate plastic films. It can be advantageous that the two plastic film layers are not provided by folding a single film, but rather by two separate films. For example, a folding device or a technically complex supply of the fiber material to a production unit can be dispensed with. It is also possible to realize material combinations of two different types of plastic for the respective plastic film layers. In this way, films with different mechanical properties can be joined together to form a material composite that combines the advantages of both film materials.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Kunststofffolien-Lagen durch ein und dieselbe Kunststofffolie gebildet werden, wobei die Kunststofffolie in einem Faltbereich dahingehend gefaltet wird, dass die Kunststofffolie zwei Kunststofffolien-Lagen bereitstellt. Bei dieser Ausgestaltung wird lediglich eine Kunststofffolie verwendet, um beide Kunststofffolien-Lagen, zwischen welchen das Fasermaterial angeordnet wird, bereitzustellen. Dazu kann eine Kunststofffolie durch eine geeignete Falteinrichtung geführt werden, welche die eine Hälfte der Kunststofffolie über die andere Hälfte faltet. Die so erzeugten Kunststofffolien-Lagen können die gleichen oder unterschiedliche Größenabmessungen aufweisen. Unter einem „Falten“ der Kunststofffolie ist also nicht zwingend ein symmetrisches Falten zu verstehen. Es ist denkbar, dass in einer eine solche Falteinrichtung aufweisenden Fertigungseinheit für den Materialverbund gleichzeitig das Fasermaterial zwischen den Folienlagen angeordnet wird. Eine vorherige Anordnung des Fasermaterials auf Kunststofffolien-Lagen der (gefalteten) Kunststofffolie ist ebenso denkbar wie eine nachträgliche Einbringung des Fasermaterials zwischen die Kunststofffolien-Lagen.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the plastic film layers are formed by one and the same plastic film, the plastic film being folded in a folding area in such a way that the plastic film provides two plastic film layers. In this embodiment, only one plastic film is used to provide both plastic film layers, between which the fiber material is arranged. For this purpose, a plastic film can be passed through a suitable folding device which folds one half of the plastic film over the other half. The plastic film layers produced in this way can have the same or different size dimensions. A “folding” of the plastic film is therefore not necessarily to be understood as a symmetrical folding. It is conceivable that in a production unit having such a folding device for the composite material, the fiber material is arranged between the film layers at the same time. A previous arrangement of the fiber material on plastic film layers of the (folded) plastic film is just as conceivable as a subsequent introduction of the fiber material between the plastic film layers.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Kunststofffolien-Lagen bei Einbringung der thermischen Energie miteinander verbunden werden. Zur verbesserten Verbindung des Fasermaterials mit den Kunststofffolien-Lagen kann es vorteilhaft sein, wenn die Kunststofffolien-Lagen mittels thermischer Energie erweicht bzw. aufgeschmolzen und somit mit dem Fasermaterial verbunden werden. Nach der Aushärtung des Kunststoffmaterials wird eine feste Verbindung mit dem Fasermaterial bereitgestellt.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the plastic film layers are connected to one another when the thermal energy is introduced. For an improved connection of the fiber material to the plastic film layers, it can be advantageous if the plastic film layers are softened or melted by means of thermal energy and thus connected to the fiber material. After the plastic material has hardened, a firm connection to the fiber material is provided.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Fasermaterial unter Aufbringung von Druck mit der Kunststofffolie der Kunststofffolien-Lagen verbunden wird. Eine Verschmelzung der Kunststofffolien-Lagen untereinander sowie mit dem Fasermaterial kann durch das Aufbringen von Druck erfolgen. Ein Vorteil dabei kann sein, dass das Kunststoffmaterial der Kunststofffolien-Lagen durch die Druckapplikation formangepasst um die Fasern des Fasermaterials herum geformt wird, so dass ein im Wesentlichen vollflächiger Kontakt von Faseroberfläche zu Kunststofffolien-Lagen erreicht wird. Eine Kombination von der Einbringung zusätzlicher thermischer Energie und Druck kann den Prozess begünstigen. Der Druck kann dabei durch einfache Pressen, Walzen oder kombinierte Heizpressen/Heizwalzen aufgebracht werden. Der Vorteil einer beispielsweise kombinierten Heizpresse in Walzenausführung ist, dass der Materialverbund in einem kontinuierlichen Prozess gefertigt werden kann. Dabei wird das Schichtsystem aus den beiden Kunststofffolien-Lagen mit dazwischen angeordnetem Fasermaterial durch beheizte Walzen geführt, welche gleichzeitig Temperatur und Druck durch den Linienkontakt zwischen Walzen und Schichtsystem aufbringen und so das Schichtsystem miteinander verbinden.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the fiber material is connected to the plastic film of the plastic film layers with the application of pressure. The plastic film layers can be fused with one another and with the fiber material by applying pressure. An advantage here can be that the plastic material of the plastic film layers is shaped around the fibers of the fiber material in a manner adapted to shape by the pressure application, so that a substantially full-area contact of the fiber surface with the plastic film layers is achieved. A combination of the introduction of additional thermal energy and pressure can promote the process. The pressure can be applied by simple pressing, rolling or combined heating presses / heating rollers. The advantage of a, for example, combined heating press in roller design is that the composite material can be manufactured in a continuous process. The layer system consisting of the two plastic film layers with the fiber material arranged in between is guided through heated rollers, which simultaneously apply temperature and pressure through the line contact between the rollers and the layer system and thus connect the layer system to one another.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Fasermaterial Fasern, insbesondere unidirektional ausgerichtete Endlosfasern umfasst, die im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Unidirektional bedeutet dabei, dass sämtliche oder die Mehrzahl der Fasern in einer Richtung ausgerichtet sind. Eine solche parallele Ausrichtung der Fasern trägt zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität des späteren Materialverbunds, insbesondere in Erstreckungsrichtung der Fasern, bei.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the fiber material comprises fibers, in particular unidirectionally oriented continuous fibers, which are oriented essentially in parallel. Unidirectional means that all or the majority of the fibers are aligned in one direction. Such a parallel alignment of the fibers contributes to an increase in the mechanical stability of the subsequent material composite, in particular in the direction of extension of the fibers.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nur Teilbereiche des Materialverbunds faserverstärkt werden. Es kann gewünscht sein nicht die gesamte Fläche des Materialverbunds mit Fasern zu verstärken. Um Material und Gewicht zu sparen, können dabei auch lediglich die, in einem Anwendungsfall einer starken Belastung ausgesetzten, Bereiche des Materialverbunds durch Fasermaterial verstärkt werden, während niedriger belastete Bereiche lediglich Kunststofffolien-Lagen umfassen. Dies können durchgehende Teilbereiche längs oder quer zur Zuführrichtung der Kunststofffolien-Lagen sein oder Insel-förmige Teilbereiche, die eine erhöhte Festigkeit und/oder Steifigkeit erfordern. Eine weitere Ausgestaltung kann derart sein, dass entlang einer Materialverbund-Achse Fasermaterial nur in Teilbereichen bereitgestellt wird und so in einer Richtung quer zur Materialverbund-Achse alternierend Teilbereiche faserverstärkt und nicht-faserverstärkt werden. Durch abwechselnde Bereiche von faserverstärkten und nicht-faserverstärkten Teilbereichen quer zur genannten Materialverbundachse kann ein Materialverbund mit gesteigerten mechanischen Eigenschaften in Richtung der Materialverbundachse geschaffen werden, während gleichzeitig signifikant Fasermaterial eingespart werden kann. Auch lässt sich ein derart gestalteter Materialverbund problemlos kontinuierlich fertigen, da die Richtung des Fasermaterials der Fertigungsrichtung entspricht.According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that only partial areas of the composite material are fiber-reinforced. It may be desirable not to reinforce the entire surface of the composite material with fibers. In order to save material and weight, only those areas of the composite material that are exposed to heavy loads in an application can be reinforced by fiber material, while areas with lower loads only comprise plastic film layers. These can be continuous partial areas along or transversely to the feed direction of the plastic film layers or island-shaped partial areas which require increased strength and / or rigidity. A further embodiment can be such that fiber material is only provided in partial areas along a material composite axis and thus partial areas are fiber-reinforced and non-fiber-reinforced alternately in a direction transverse to the material composite axis. By alternating areas of fiber-reinforced and non-fiber-reinforced sub-areas transversely to the aforementioned material composite axis, a material composite with increased mechanical properties in the direction of the material composite axis can be created, while at the same time significant fiber material can be saved. A material composite designed in this way can also be manufactured continuously without any problems, since the direction of the fiber material corresponds to the manufacturing direction.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die folgenden Schritte durchlaufen werden:

  1. a. Anordnen einer ersten Kunststofffolien-Lage auf einem Träger;
  2. b. Anordnen von Fasermaterial auf einer dem Träger abgewandten Oberfläche der ersten Kunststofffolien-Lage;
  3. c. Anordnen einer zweiten Kunststofffolien-Lage auf dem Fasermaterial;
  4. d. Verbinden des Fasermaterials mit der ersten und zweiten Kunststofffolien-Lage unter Einbringung von thermischer Energie und/oder unter Aufbringung von Druck.
According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the following steps are carried out:
  1. a. Arranging a first plastic film layer on a carrier;
  2. b. Arranging fiber material on a surface of the first plastic film layer facing away from the carrier;
  3. c. Arranging a second plastic film layer on the fiber material;
  4. d. Connecting the fiber material to the first and second plastic film layers with the introduction of thermal energy and / or with the application of pressure.

Diese Schrittfolge bietet sich bei einer Batchproduktion des faserverstärkten Materialverbunds an, da so ohne aufwendiges Zuführen die einzelnen Schichten aus Kunststofffolien-Lagen und Fasermaterial angeordnet und miteinander verbunden werden können. Der Träger kann dabei eine ebene Oberfläche aufweisen, beispielsweise die untere Pressplatte einer Heißpresse. In der Heißpresse oder einem späteren Prozessschritt wird dann thermische Energie bzw. Druck auf das geschichtete Material ein- respektive aufgebracht, um die genannten Komponenten miteinander zu verbinden.This sequence of steps lends itself to a batch production of the fiber-reinforced material composite, since the individual layers of plastic film layers and fiber material can be arranged and connected to one another without complex feeding. The carrier can have a flat surface, for example the lower press plate of a hot press. In the hot press or a later process step, thermal energy or pressure is then applied or applied to the layered material in order to connect the components mentioned to one another.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die folgenden Schritte durchlaufen werden:

  1. a. Zuführen einer ersten Kunststofffolien-Lage in eine Fertigungseinheit;
  2. b. Zuführen einer zweiten Kunststofffolien-Lage in die Fertigungseinheit;
  3. c. Zuführen von Fasermaterial in die Fertigungseinheit und Anordnen des Fasermaterials zwischen der ersten Kunststofffolien-Lage und der zweiten Kunststofffolien-Lage;
  4. d. Verbinden des Fasermaterials mit der Kunststofffolie der ersten Kunststofffolien-Lage und der zweiten Kunststofffolien-Lage unter Einbringung von thermischer Energie und/oder unter Aufbringung von Druck.
According to a further embodiment of a method proposed by the invention, it can be provided that the following steps are carried out:
  1. a. Feeding a first plastic film layer into a production unit;
  2. b. Feeding a second plastic film layer into the production unit;
  3. c. Feeding fiber material into the production unit and arranging the fiber material between the first plastic film layer and the second plastic film layer;
  4. d. Connecting the fiber material to the plastic film of the first plastic film layer and the second plastic film layer with the introduction of thermal energy and / or with the application of pressure.

Sofern nicht in einem Batchprozess gearbeitet werden soll, sondern in einer kontinuierlichen Fertigung des Materialverbunds, so kann eine kontinuierliche Zuführung der Kunststofffolien-Lagen und des Fasermaterials in die Fertigungseinheit von Vorteil sein. Dazu kann die untere Kunststofffolien-Lage über eine untere Zuführeinheit, wie zum Beispiel eine Rollenanordnung oder über Führungsschienen, der Fertigungseinheit zugeführt werden. Diese Art einer Zuführeinheit kann auch für die obere Kunststofffolien-Lage verwendet werden. Der Verbindungsprozess selbst findet unter Einwirkung von thermischer Energie und/oder Druck statt. Dazu bietet sich beispielsweise eine Anordnung aus Walzen an, zwischen denen die Kunststofffolien-Lagen und das Fasermaterial mit Druck beaufschlagt werden. Je nach Anwendungsfall macht auch eine mehrstufige Druckbeaufschlagung durch verschiedene Walzen- oder Pressenanordnungen Sinn. Neben Walzen und Pressen sind auch andere Vorrichtungen, welche Druck ausüben können, nicht vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen. Thermische Energie kann dabei durch Wärmeleitung, zum Beispiel beim Kontakt mit den Rollen selbst, Wärmestrahlung (zum Beispiel Infrarotstrahlern oder Lasern), oder im Wege von Wärmekonvektion (zum Beispiel einem Heizgebläse) zugeführt werden. Auch hier sind andere thermische Quellen denkbar.If work is not to take place in a batch process, but in a continuous production of the composite material, continuous feeding of the plastic film layers and the fiber material into the production unit can be advantageous. For this purpose, the lower plastic film layer can be fed to the production unit via a lower feed unit, such as a roller arrangement or guide rails. This type of feed unit can also be used for the upper layer of plastic film. The connection process itself takes place under the action of thermal energy and / or pressure. For this purpose, for example, an arrangement of rollers is possible, between which the plastic film layers and the fiber material are subjected to pressure. Depending on the application, a multi-stage application of pressure using different roller or press arrangements makes sense. In addition to rollers and presses, other devices which can exert pressure are not excluded from the subject matter of the present invention. Thermal energy can be supplied by conduction, for example when it comes into contact with the rollers themselves, thermal radiation (for example infrared radiators or lasers), or by way of thermal convection (for example a heater fan). Other thermal sources are also conceivable here.

Wie schon erwähnt wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch einen Materialverbund aus Kunststoff und Fasermaterial gelöst. Der Materialverbund kann nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.As already mentioned, the object on which the invention is based is also achieved by a material composite made of plastic and fiber material. The composite material can be produced by a method according to the invention.

Erfindungsgemäß ist der Materialverbund in Form einer Schichtstruktur ausgebildet, wobei das Fasermaterial zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen angeordnet und mit der Kunststofffolie der Kunststofffolien-Lagen verbunden ist.According to the invention, the composite material is designed in the form of a layer structure, the fiber material being arranged between two plastic film layers and being connected to the plastic film of the plastic film layers.

Nach einer Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Materialverbunds kann vorgesehen sein, dass der Materialverbund über seine gesamte Fläche faserverstärkt ist.According to one embodiment of a material composite proposed by the invention, it can be provided that the material composite is fiber-reinforced over its entire surface.

Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Materialverbunds kann vorgesehen sein, dass der Materialverbund in Teilbereichen faserverstärkt ist, vorzugsweise derart, dass sich die faserverstärkten Teilbereiche entlang einer Materialverbund-Achse erstrecken und der Materialverbund in einer Richtung quer zur Materialverbund-Achse alternierend faserverstärkte Teilbereiche und nicht-faserverstärkte Teilbereiche umfasst.According to a further embodiment of a material composite proposed by the invention, it can be provided that the material composite is fiber-reinforced in partial areas, preferably such that the fiber-reinforced partial areas extend along a material composite axis and the material composite is alternately fiber-reinforced partial areas in a direction transverse to the material composite axis and non-fiber reinforced subregions.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wird. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch:

  • 1: eine Darstellung einer Ausführungsvariante des faserverstärkten Materialverbunds mit faserverstärkten und nicht-faserverstärkten Teilbereichen.
  • 2: eine Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Materialverbunds mittels oberer, unterer und mittlerer Zuführeinheiten.
Further features and advantages of the invention emerge from the following description of non-restrictive exemplary embodiments of the invention, which are explained in more detail below with reference to the drawings. These drawings show schematically:
  • 1 : a representation of an embodiment variant of the fiber-reinforced material composite with fiber-reinforced and non-fiber-reinforced partial areas.
  • 2 : an illustration of a method for producing a fiber-reinforced material composite by means of upper, lower and middle feed units.

Die 1 zeigt ein Beispiel eines Materialverbunds, wie er nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.the 1 shows an example of a material composite as can be obtained by a method according to the invention.

Konkret ist in der 1 ein faserverstärkter Materialverbund 1 gezeigt, welcher faserverstärkte Teilbereiche 6 und nicht-faserverstärkte Teilbereiche 6 aufweist. Die Teilbereiche 6 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zur Materialverbund-Achse 7 und sind quer zu der Materialverbund-Achse 7 beabstandet angeordnet. Ein Materialverbund 1 in dieser Form kann kontinuierlich hergestellt werden und für den jeweiligen Anwendungsfall passend zurechtgeschnitten werden. Die Anzahl der faserverstärkten Teilbereiche 6 kann dabei variieren.Specifically, in the 1 a fiber-reinforced material composite 1 shown which fiber-reinforced sections 6th and non-fiber reinforced sections 6th having. The sub-areas 6th extend essentially parallel to the material composite axis 7th and are transverse to the material composite axis 7th spaced apart. A composite material 1 in this form can be produced continuously and cut to size for the respective application. The number of fiber-reinforced sections 6th can vary.

In der 2 ist eine Fertigungseinheit gezeigt, welche dazu eingerichtet ist, den, nach der Erfindung vorgeschlagenen, (faserverstärkten) Materialverbund 1 herzustellen. Dazu wird der Fertigungseinheit durch eine untere Zuführeinheit 11 eine erste Kunststofffolien-Lage 4a zugeführt und durch eine obere Zuführanordnung 12 eine zweite Kunststofffolien-Lage 4b zugeführt. Das Fasermaterial wird der Fertigungseinheit in Form einer Faserlage 3 durch eine mittlere Zuführeinheit 13 zugeführt. Die Zuführeinheiten 11, 12, 13 sind hier schematisch in Form von Rollen dargestellt. Diese sind teilweise zur Förderung der Materialien angetrieben und/oder freilaufend. Das so aufeinander geschichtete Schichtsystem aus den Kunststofffolien-Lagen 4a, 4b und der Faserlage 3 wird dann an einer Quelle 17 thermischer Energie vorbeigeführt, um die obere und untere Kunststofffolien-Lage 4a, 4b zu erwärmen und anschließend unter Druck mit dem Fasermaterial der Faserlage 3 zu verbinden. Der Druck wird dabei durch zwei Walzen 18 aufgebracht. Nach einer Abkühlphase kann der Materialverbund 1 entnommen bzw. weiterverarbeitet werden.In the 2 a production unit is shown which is set up to use the (fiber-reinforced) material composite proposed according to the invention 1 to manufacture. For this purpose, the production unit is fed by a lower feed unit 11th a first layer of plastic film 4a fed and through an upper feed assembly 12th a second layer of plastic film 4b fed. The fiber material is the manufacturing unit in the form of a fiber layer 3 through a middle feed unit 13th fed. The feed units 11th , 12th , 13th are shown here schematically in the form of roles. These are partly for Conveying the materials driven and / or free-running. The layer system made of the layers of plastic film, layered on top of one another 4a , 4b and the fiber layer 3 is then at a source 17th thermal energy passed to the top and bottom plastic film layers 4a , 4b to heat and then under pressure with the fiber material of the fiber layer 3 connect to. The pressure is produced by two rollers 18th upset. After a cooling phase, the composite material 1 removed or processed further.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
MaterialverbundComposite material
33
FaserlageFiber layer
4a, 4b4a, 4b
Kunststofffolien-LagePlastic film layer
66th
TeilbereichSub-area
77th
Materialverbund-AchseMaterial composite axis
1111th
untere Zuführeinheitlower feed unit
1212th
obere Zuführeinheitupper feed unit
1313th
mittlere Zuführeinheitmiddle feed unit
1717th
Quelle thermischer EnergieSource of thermal energy
1818th
Walzeroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2165821 B1 [0002]EP 2165821 B1 [0002]

Claims (12)

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Materialverbunds (1), der gebildet wird aus Kunststoff und Fasermaterial , dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund (1) in Form einer Schichtstruktur ausgebildet wird, wobei das Fasermaterial zur Ausbildung der Schichtstruktur zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) angeordnet und mit der Kunststofffolie der jeweiligen Kunststofffolien-Lage (4a, 4b) verbunden wird.Method for producing a fiber-reinforced material composite (1) which is formed from plastic and fiber material, characterized in that the material composite (1) is designed in the form of a layer structure, the fiber material for forming the layer structure between two plastic film layers (4a, 4b ) is arranged and connected to the plastic film of the respective plastic film layer (4a, 4b). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial durch Einbringung thermischer Energie mit der Kunststofffolie verbunden wird, wobei die Einbringung der thermischen Energie dahingehend erfolgt, dass die Temperatur der Kunststofffolie beim Verbinden des Fasermaterials mit der Kunststofffolie oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the fiber material is connected to the plastic film by introducing thermal energy, the thermal energy being introduced to the effect that the temperature of the plastic film when the fiber material is connected to the plastic film is above its melting temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) durch separate Kunststofffolien gebildet werden.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the plastic film layers (4a, 4b) are formed by separate plastic films. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) durch ein und dieselbe Kunststofffolie gebildet werden, wobei die Kunststofffolie in einem Faltbereich dahingehend gefaltet wird, dass die Kunststofffolie zwei Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) bereitstellt.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the plastic film layers (4a, 4b) are formed by one and the same plastic film, the plastic film being folded in a folding area in such a way that the plastic film provides two plastic film layers (4a, 4b). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) bei Einbringung der thermischen Energie miteinander verbunden werden.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the plastic film layers (4a, 4b) are connected to one another when the thermal energy is introduced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial unter Aufbringung von Druck mit der Kunststofffolie der Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) verbunden wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the fiber material is connected to the plastic film of the plastic film layers (4a, 4b) with the application of pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial Fasern, insbesondere unidirektional ausgerichtete Endlosfasern umfasst, die im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the fiber material comprises fibers, in particular unidirectionally oriented continuous fibers, which are oriented essentially in parallel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur Teilbereiche des Materialverbunds (1) faserverstärkt werden, vorzugsweise derart, dass entlang einer Materialverbund-Achse (7) Fasermaterial nur in Teilbereichen (6) bereitgestellt wird und so in einer Richtung quer zur Materialverbund-Achse (7) alternierend Teilbereiche (6) faserverstärkt und nicht-faserverstärkt werden.Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that only partial areas of the composite material (1) are fiber-reinforced, preferably in such a way that fiber material is only provided in partial areas (6) along a composite material axis (7) and thus alternating in a direction transverse to the composite material axis (7) Subregions (6) are fiber-reinforced and non-fiber-reinforced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Anordnen einer ersten Kunststofffolien-Lage (4a) auf einem Träger; b. Anordnen von Fasermaterial auf einer dem Träger abgewandten Oberfläche der ersten Kunststofffolien-Lage (4a); c. Anordnen einer zweiten Kunststofffolien-Lage (4b) auf dem Fasermaterial; d. Verbinden des Fasermaterials mit der ersten und zweiten Kunststofffolien-Lage (4a, 4b) unter Einbringung von thermischer Energie und/oder unter Aufbringung von Druck.Method according to one of the Claims 1 until 8th characterized by the following steps: a. Arranging a first plastic film layer (4a) on a carrier; b. Arranging fiber material on a surface of the first plastic film layer (4a) facing away from the carrier; c. Arranging a second plastic film layer (4b) on the fiber material; d. Connecting the fiber material to the first and second plastic film layers (4a, 4b) with the introduction of thermal energy and / or with the application of pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Zuführen einer ersten Kunststofffolien-Lage (4a) in eine Fertigungseinheit; b. Zuführen einer zweiten Kunststofffolien-Lage (4b) in die Fertigungseinheit; c. Zuführen von Fasermaterial in die Fertigungseinheit und Anordnen des Fasermaterials zwischen der ersten Kunststofffolien-Lage (4a) und der zweiten Kunststofffolien-Lage (4b); d. Verbinden des Fasermaterials mit der Kunststofffolie der ersten Kunststofffolien-Lage (4a) und der zweiten Kunststofffolien-Lage (4b) unter Einbringung von thermischer Energie und/oder unter Aufbringung von Druck.Method according to one of the Claims 1 until 8th characterized by the following steps: a. Feeding a first plastic film layer (4a) into a production unit; b. Feeding a second plastic film layer (4b) into the production unit; c. Feeding fiber material into the production unit and arranging the fiber material between the first plastic film layer (4a) and the second plastic film layer (4b); d. Connecting the fiber material to the plastic film of the first plastic film layer (4a) and the second plastic film layer (4b) with the introduction of thermal energy and / or with the application of pressure. Materialverbund (1) aus Kunststoff und Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund (1) in Form einer Schichtstruktur ausgebildet ist, wobei das Fasermaterial zwischen zwei Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) angeordnet und mit der Kunststofffolie der Kunststofffolien-Lagen (4a, 4b) verbunden ist.Material composite (1) made of plastic and fiber material, characterized in that the material composite (1) is designed in the form of a layer structure, the fiber material being arranged between two plastic film layers (4a, 4b) and with the plastic film of the plastic film layers (4a, 4b) is connected. Materialverbund (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund (1) über seine gesamte Fläche faserverstärkt ist.Material composite (1) according to Claim 11 , characterized in that the composite material (1) is fiber-reinforced over its entire surface.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2165821B1 (en) 2008-09-22 2012-12-26 Universität Bremen Method and apparatus for producing a fibre-reinforced composite material and the use of the fibre-reinforced composite material

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EP2165821B1 (en) 2008-09-22 2012-12-26 Universität Bremen Method and apparatus for producing a fibre-reinforced composite material and the use of the fibre-reinforced composite material

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