DE10259883B4

DE10259883B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes

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Publication number: DE10259883B4
Application number: DE10259883A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Bjekovic; Hans-Georg Dr.-Ing. Herrmann; Asmir Dipl.-Ing. Salkic
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Samsonite IP Holdings SARL
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: DE10259883A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes (16) enthaltend orientierte Thermoplaste und nicht orientierte Thermoplaste, wobei die orientierten Thermoplaste unter Zugspannung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die nicht orientierten Thermoplaste, dadurch gekennzeichnet,
dass die folgenden Schritte umfasst sind:
– Einbringen von orientierten und nicht orientierten Thermoplasten in eine Pressvorrichtung;
– Befestigung zumindest der orientierten Thermoplaste an einer Halteeinrichtung, die geeignet ist eine Zugspannung auf die orientierten Thermoplaste in der Richtung deren Orientierung aufzubringen;
– Erwärmung der Thermoplaste auf ein Temperaturniveau oberhalb des spannungsfreien Schmelzpunktes der höher schmelzenden Thermoplaste und unterhalb des Schmelzpunktes der orientierten Thermoplaste, wobei die orientierten Thermoplaste in Richtung ihrer Orientierung unter Spannung gehalten werden;
– Aufgeben eines Pressdruckes; so dass die nicht orientierten Thermoplaste aufgeschmolzen werden und die Hohlräume zwischen den orientierten Thermoplasten auffüllen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Werkstoffverarbeitung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der Druckschrift EP 0 531 473 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bekannt, bei dem mehrere Lagen eines Gewebes aus orientierten Polymeren (gekennzeichnet durch teilkristalline Bereiche) aufeinandergelegt und anschließend unter einem oberhalb des Luftdrucks angeordneten Pressdruck teilweise angeschmolzen werden. Die entstehende Schmelze aus nunmehr nicht orientierten Polymeren (überwiegend amorphe Struktur) bildet eine zweite Phase, die als Matrix für den Verbundwerkstoff fungiert. Mit der Schmelze verbinden sich die Fasern des Gewebes, so dass aus der Gewebelage in der Art eines gesinterten Körpers ein monolithisches Bauteil gebildet wird. Ein derartiges Bauteil reißt allerdings relativ leicht im Bereich der einzelnen Gewebelagen und ist zudem relativ teuer herzustellen. Die jeweiligen Fasern werden nur an ihrer Oberfläche bei diesem Verfahren aufgeschmolzen, dies erfordert eine sehr aufwendige und somit teure Temperaturführung. Des Weiteren wirkt sich das Anschmelzen der Faseroberfläche nachteilig auf die Oberflächenqualität der Fasern (die Fasern verlieren ihre Konturen) sowie auf deren Werkstoffeigenschaften aus. Nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften wirken sich zudem auch freie Hohlräume aus, die zwischen den ange schmolzenen Fasern unaufgefüllt bleiben. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit u.a.) sowie die thermischen Eigenschaften (Temperaturbeständigkeit) und die erzielbaren Umformergebnisse negativ beeinflusst. Falten, Delaminationen und Mikrorisse treten bei Bauteilen auf, die nach diesem Verfahren hergestellt werden.

Gegenstand der Druckschrift DE 100 17 493 A1 ist ein gegenüber EP 0 531 473 B1 verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer innenliegenden Lage aus Kunststoff und ein Bauteil, das durch dieses Verfahren eine verbesserte Stabilität und Steifigkeit aufweist. Zur Herstellung des Bauteils wird eine Kunststofflage zwischen zwei benachbarten Gewebelagen in Pulver- und/oder Folienform eingebracht, anschließend erhitzt und bei einem Pressdruck miteinander verbunden. Dabei wird der Kunststoff einer bzw. mehrerer Kunststofflagen teilweise aufgeschmolzen und anschließend nach Erreichen der gewünschten Endform abgekühlt. Bauteile, die nach diesem Herstellungsverfahren produziert werden, weisen gegenüber Bauteilen, die Gegenstand der Druckschrift EP 0 531 473 B1 sind, bessere mechanische Eigenschaften auf und werden wirtschaftlicher hergestellt. Mikroskopische Untersuchungen zeigen, dass bei kleinen Umformgraden mit diesen Bauteilen befriedigende Umformergebnisse erzielt werden. Trotz verbesserter Eigenschaften weisen auch diese Bauteile bei hohen Umformgraden nicht tolerierbare Mängel, wie z.B. Falten, auf.

DE 199 22 799 A1 bezieht sich auf ein RTM-Verfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Insbesondere werden Drapierwerkzeuge ausgeführt, die mittels geometrisch angepasster Spannrahmen für die Fasergelege ein Verwerfen oder Verschieben beim Absenken des Positivstempels des Drapierwerkzeugs ver hindern. Das Matrixmaterial wird in üblicher Weise schmelzflüssig über Dosierköpfe zugeführt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus artgleichem Verstärkungsmaterial und Matrix anzugeben, bei dem das Verstärkungsmaterial durch den Prozess nicht geschädigt, insbesondere dessen mechanische Eigenschaften durch Gefügeumstrukturierung nicht verschlechtert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist gegeben durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, welcher orientierte Thermoplaste und nicht orientierte Thermoplaste enthält, wobei die orientierten Thermoplaste unter Zugspannung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die nicht orientierten Thermoplaste.

Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

– Einbringen von orientierten und nicht orientierten Thermoplasten in eine Pressvorrichtung;
– Befestigung zumindest der orientierten Thermoplaste an einer Halteeinrichtung, die geeignet ist, eine Zugspannung auf die orientierten Thermoplaste in der Richtung deren Orientierung aufzubringen;
– Erwärmung der Thermoplaste auf ein Temperaturniveau oberhalb des spannungsfreien Schmelzpunktes der höher schmelzenden Thermoplaste und unterhalb des Schmelzpunktes der orientierten Thermoplaste, wobei die orientierten Thermoplaste in Richtung ihrer Orientierung unter Spannung gehalten werden;
– Aufgeben eines Pressdruckes; so dass die nicht orientierten Thermoplaste aufgeschmolzen werden und die Hohlräume zwischen den orientierten Thermoplasten auffüllen.

Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Schmelzpunkt der orientierten Thermoplasten unter Spannung nicht erreicht oder gar überschritten wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich der Schmelzpunkt der orientierten Thermoplaste mit zunehmender Spannung erhöht. Dies bedingt den Vorteil, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur eine bessere Umformung des Verbundwerkstoffes ermöglicht wird, ohne dass dabei eine Verschlechterung mechanischer Eigenschaften infolge eines Aufschmelzens der orientierten Thermoplaste auftritt. Hierdurch schafft das Verfahren die Voraussetzungen zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften wie z.B. Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und verbesserten thermischen Eigenschaften wie z.B. Temperaturbeständigkeit. Ein anderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es einen optimierten Prozess darstellt, der jederzeit wiederholbar ist.

Die orientierten Thermoplaste haben den Vorteil, dass sie teilkristalline Thermoplaste enthalten, die zum größten Teil aus orientierten Kristalliten aufgebaut sind und dadurch bessere mechanische und thermische Werkstoffeigenschaften als die amorphen nicht orientierten Thermoplaste aufweisen.

Es sei darauf hingewiesen, dass die orientierten Thermoplaste zwar überwiegend durch teilkristalline Bereiche gekennzeichnet sind, aber auch amorphe Bereiche aufweisen.

Die orientierten Thermoplaste können in Form von Fasern, Bändchen, Faserbündeln, Halbzeugen wie Geweben, Gelegen, Matten, Folien, Vliesen u.a. oder beliebigen Kombinationen von diesen, sowie von deren konsolidierten Produkten vorliegen. Konkrete Beispiele hierfür sind mattenartige Lagen aus ge kreuzten Fasern und/oder Bändchen orientierter Polyolefine, insbesondere aus Polypropylen. Die nicht orientierten Thermoplaste können in Form von Folien und/oder Pulver vorliegen. Die nicht orientierten Thermoplaste, hier auch als zweite Phase bezeichnet, haben grundsätzlich einen niedrigeren Schmelzpunkt im Vergleich zu den orientierten Thermoplasten. Die orientierten und nicht orientierten Thermoplaste werden gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes miteinander zu einem Verbundwerkstoff oder zu einem s.g. Halbzeug verpresst bzw. verarbeitet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können jeweils gleiche Thermoplaste oder gleiche thermoplastische Mischungen miteinander zu dem Verbundwerkstoff verarbeitet werden.

Die erfindungsgemäße Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus jeweils gleichen Thermoplasten bietet den Vorteil, dass eine Wiederverwertung der Thermoplaste besonders wirtschaftlich gestaltet werden kann. Die Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus gleichen thermoplastischen Mischungen z.B. den Polyolefinen Polypropylen und Polyethylen, wobei sowohl die orientierten als auch die nicht orientierten Thermoplaste vorzugsweise jeweils aus derselben Mischung bestehen, ermöglicht die gezielte Einstellung der jeweils erforderlichen bzw. gewünschten Werkstoffeigenschaften. Ermöglicht wird dies, weil Polyolefine untereinander gut mischbar sind.

Als Thermoplaste eignen sich vorzugsweise Polypropylen oder Polyethylen, sowie auch Polyamid oder Mischungen daraus. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Verbundwerkstoff aus der Gruppe der Polyolefine wegen seinen günstigen Eigenschaften u.a. Recyclierbarkeit, geringes Gewicht und geringe Kosten gewählt. Insbesondere eignet sich hierfür sehr gut das Polypropylen aufgrund seiner besseren Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu beispielsweise Polyethylen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes werden Fasern und/oder Bändchen, enthaltend orientierte Thermoplaste zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes, sowie nicht orientierte Thermoplaste als Matrix des Verbundwerkstoffes verwendet.

Die Fasern und/oder Bändchen und die Matrix können getrennt vorliegen oder derart, dass Fasern und/oder Bändchen aus orientierten Thermoplasten von nicht orientierten Thermoplasten ummantelt vorliegen. Dabei wird die Matrix, die die Fasern und/oder Bändchen ummantelt, durch Coextrusion, Beschichtung und/oder thermo-physikalische Behandlung aufgebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die Verwendung von Fasern und/oder Bändchen beispielsweise, dass der Verbundwerkstoff gewünschte Eigenschaften in einer bevorzugten Richtung aufweist (Richtungsabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften).

Erfindungsgemäß kann das Ausgangsprodukt für die Matrix des Verbundwerkstoffes in Form von Pulvern oder Folien aus nicht orientierten Thermoplasten vorliegen. Eine Folie als Matrix ist zweckmäßig, da sie leicht einzubringen ist. Ein Pulver als Matrix besitzt u.a. den Vorteil, dass es im festen Zustand bereits besser in die frei gebildeten Hohlräume zwischen den Fasern und/oder Bändchen eindringen und daher auch die frei gebildeten Hohlräume besser ausfüllen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes gewährleistet, dass die Matrix des Verbundwerk stoffes unter einem oberhalb des Luftdruckes angeordneten Pressdruck früher als die unter Spannung gehaltenen Fasern und/oder Bändchen, die zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes dienen, schmilzt und Hohlräume auffüllt. Somit fungiert die Matrix als zusammenhaltende und stabilisierende Verbindungsphase. Die Reduzierung der Hohlräume innerhalb des Verbundwerkstoffes wirkt sich positiv auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften aus.

Der Verbundwerkstoff kann aus wenigstens einer Lage orientierter Thermoplaste und aus wenigstens einer Lage nicht orientierter Thermoplaste aufgebaut werden.

Dies erleichtert bei einer Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffes die monolithische Verbindung der Lage aus orientierten Thermoplasten mit der Lage aus nicht orientierten Thermoplasten.

Ferner kann eine Lage aus nicht orientierten Thermoplasten beidseitig benachbart mit jeweils einer Lage aus orientierten Thermoplasten verpresst werden.

Dieser Aufbau ermöglicht eine vorteilhafte Verstärkung des Verbundwerkstoffs. Die nicht orientierten Thermoplasten schmelzen vor den unter Spannung gehaltenen orientierten und damit auch vor einer thermisch bedingten Beeinträchtigung dieser Lage. Dabei bleiben die Fasern und/oder Bändchen der Lage aus orientierten Thermoplasten durch das Matrixmaterial weitgehend geschützt vor der Wärmeeinbringung. Durch die geringere Gefährdung der Fasern und/oder Bändchen ist insgesamt die ganze Verfahrensführung vereinfacht und daher billiger.

Es können auch mehrere Lagen aus orientierten Thermoplasten mit mehreren Lagen aus nicht orientierten Thermoplasten miteinander zu einem Verbundwerkstoff verpresst werden.

Die Anzahl der unter Spannung gehaltenen Lagen hängt von der gewünschten Stärke sowie von den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie der Anwendung des Verbundwerkstoffes ab.

Gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Lagen aus orientierten Thermoplasten als Gewebe ausgebildet, derart, dass eine erste Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und/oder Bändchen zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes in Kettenrichtung mit einer zweiten Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und/oder Bändchen zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes in Schussrichtung verwebt wird. Dabei liegt vorzugsweise ein Winkel zwischen Kette und Schuss von 45–135°, insbesondere von 90°, vor.

Dies hat den Vorteil, dass die beispielsweise senkrecht zueinander stehenden Fasern und/oder Bändchen beim Einspannen gleiche mechanische und thermische Eigenschaften des Verbundwerkstoffes in jeweils 90° Richtung erlauben.

Ferner können zwei Gewebe derart übereinander angeordnet und verwebt werden, dass sich zwischen den jeweiligen Mehrzahlen von im Wesentlichen parallelen Fasern und/oder Bändchen zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes jeweils Winkel von ca. 45°C ausbilden. Damit werden möglichst richtungsunabhängige (isotrope) Werkstoffeigenschaften im Verbundwerkstoff eingestellt.

Die Fasern und/oder Bändchen können zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes untereinander zu Fäden (aus einzelnen miteinander verflochtenen Fasern und/oder Bändchen hergestellte Zwirne) in Kettenrichtung verwebt werden. Mehrere Fäden werden in Kettenrichtung benötigt, um gleichzeitig zwei Gewebe übereinander zu bilden, die untereinander mittels Fäden verwoben sind. Dabei wechseln die Fäden von einer Gewebelage zur anderen. Auf diese Weise entstehen zwei unterschiedliche Verwebungskombinationen. Dieses Doppelgewebe wird verwendet, um möglichst richtungsunabhängige (isotrope) Werkstoffeigenschaften im Verbundwerkstoff zu erzielen.

Im Ausgangszustand der Lage können deren Fasern und/oder Bändchen vorwiegend geradlinig verlaufen und sich weitestgehend unterbrechungsfrei über die gesamte Länge eines Halbzeugs bzw. eines Zuschnittes erstrecken.

Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des gestreckten Verlaufs in der Lage des Verbundwerkstoffs die Fasern nach einer Umformung der Lage – beispielsweise in eine schalenförmige Bauteilform – erhebliche Zugkräfte aufnehmen können. Die in Richtung der Orientierung der orientierten Fasern und/oder Bändchen wirksamen Zugkräfte wirken sich vorteilhaft auf die Drapierung des Verbundwerkstoffes bzw. des Halbzeugs aus, die dementsprechend faltenfrei erfolgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbundwerkstoff aus Polyolefinen aufgebaut. Insbesondere erfindungsgemäß verstärkte Polypropylenverbundwerkstoffe eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts und wegen ihrer guten Festigkeit gut für Anwendungen in der Automobilindustrie, z.B. die Herstellung von Unterbodengruppen.

Ein anderer Vorteil des Verbundwerkstoffes aus Polypropylen ist seine Wiederverwertbarkeit und seine gegenüber anderen Polyolefinen (beispielsweise Polyethylen) besseren thermischen Eigenschaften, wie z.B. Temperaturbeständigkeit. Dieser vielfältige Werkstoff kann recycelt werden und im Automobilbau eine weitere Verwendung in der Innenraumverkleidung z.B. Hutablage, im Kofferraum – Kofferablageflächen finden. Er ist auch wegen seiner guten Hautverträglichkeit beliebt.

Das Verfahren kann zur Herstellung eines drei-dimensionalen Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, enthaltend orientierte Thermoplaste und nicht orientierte Thermoplaste, eingesetzt werden, wobei die orientierten Thermoplaste und die nicht orientierten Thermoplaste auf ein Temperaturniveau oberhalb des spannungsfreien Schmelzpunktes der höher schmelzenden Thermoplaste erwärmt werden. Dabei wird der Verbundwerkstoff in einer drei-dimensionalen Form unter Pressdruck gehalten, wobei die orientierten Thermoplaste des Verbundwerkstoffes in Richtung ihrer Orientierung in einer Vorrichtung zur Halterung des Verbundwerkstoffes unter Spannung gehalten werden.

Das Bauteil, hergestellt nach diesem Verfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Bauteilen die Vorteile, dass es weniger Falten, Delaminationen und/oder Mikrorisse aufweist. Während der Erwärmung bildet die Matrix des Verbundwerkstoffes eine Schmelze, die während des Umformens nicht erstarrt und somit eine bessere Umformbarkeit gewährleistet. Derartige Bauteile sind verzugarm und haben weniger Eigenspannungen.

Die Erwärmung des Verbundwerkstoffes kann kontaktlos – Umluftofen, Ultraschall, IR-Strahler (Quarz-, Halogen- oder Keramikstrahler) – oder mit einer Kontaktheizung erfolgen.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil weißt gegenüber üblichen Bauteilen sowohl verbesserte mechanische Eigenschaften wie z.B. Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit auf als auch bessere thermische Eigenschaften wie z.B. Temperaturbeständigkeit.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Halterung des Verbundwerkstoffes, der über acht Zugriffsflächen fixiert und in einem Rahmen eingespannt ist und aus orientierten und nicht orientierten Thermoplasten aufgebaut ist.
2 Schematische Darstellung von thermischen Isolierungen und/oder Abschirmungen.
3 Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Halterung mit Klemmen.
In 1 werden in dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes 16 Fasern und Bändchen 14, enthaltend orientierte Polypropylene zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16, sowie nicht orien- tierten Polypropylene als Matrix des Verbundwerkstoffes 16 verwendet.
Die Fasern und Bändchen 14 zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16 sind vorwiegend aus teilkristallinen Bereichen aufgebaut, die zum größten Teil orientierte Kristallite enthalten. Die Fasern und Bändchen 14 zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16 enthalten aber auch Bereiche mit nicht orientierten Polypropylenen. Die orientierten Kristallite der Polypropylene weisen bessere mechanische und thermische Eigenschaften auf als die amorphen nicht orientierten Polypropylene.
Die Matrix des Verbundwerkstoffes 16 liegt in Form von Folien aus nicht orientierten Polypropylenen 15 vor. Die nicht orientierten Polypropylene weisen im Vergleich zu den orientier ten Polypropylenen einen niedrigeren Schmelzpunkt auf. Somit wird die Matrix des Verbundwerkstoffes grundsätzlich früher als die Fasern und Bändchen 14 geschmolzen und fungiert als tragende Verbindungsphase.
Die Fasern und Bändchen 14 zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16 werden zu Lagen 17 verarbeitet, derart, dass eine erste Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und Bändchen 14 zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16 in Kettenrichtung mit einer zweiten Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und Bändchen 14 zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16 in Schussrichtung verwebt wird, wobei ein Winkel zwischen Kette und Schuss von 90° vorliegt.
Ausführungsgemäß wird der Verbundwerkstoff 16 aus zwei Lagen orientierten Polypropylenen 17 hergestellt, zwischen denen sich eine Lage aus nicht orientierten Polypropylenen – ausgebildet als Folie 15 – befindet.
Während einer ersten Wärmebehandlung der Lagen bei einer Temperatur von 165°C werden sie mit einem Pressdruck von ca. 36 bar senkrecht zur Fläche miteinander zu einem Verbundwerkstoff 16 verpresst. Die frei gebildeten Hohlräume 11 zwischen Kette und Schuss in der Lage aus orientierten Polypropylenen 17 werden durch die geschmolzene Folie aus nicht orientierten Polypropylenen 15 ausgefüllt.
Nach dieser ersten Wärmebehandlung wird der Verbundwerkstoff 16 bei Raumtemperatur unter Zugspannung in eine Vorrichtung 1 zur Halterung des Verbundwerkstoffes 16 eingespannt und danach einer zweiten Wärmebehandlung unterzogen. Hieraus resultieren die bereits genannten verbesserten Umformeigenschaften.
Wie aus 1 zu ersehen ist, besteht die Vorrichtung 1 zur Halterung eines Verbundwerkstoffes 16 aus einem Rahmenpaar, das wiederum aus einem oberen 12 und einem unteren Rahmen 13 besteht. Die Vorrichtung 1 weist acht Zugriffsflächen 18 für eine Fixierung des Verbundwerkstoffs 16 auf. In diesen acht Zugriffsflächen 18 sind acht Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkte ausgebildet. Die Positionen der Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkte werden mittels eines Berechnungsprogramms (Simulationsprogramm) ermittelt, um zu gewährleisten, dass eine homogene Zugspannungsverteilung innerhalb des Verbundwerkstoffes nach dem Fügen vorliegt. Die Anordnung der acht Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkte in dem Verbundwerkstoff 16 ist so berechnet und gestaltet, dass kaum Materialschäden im Bereich der Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkte am Verbundwerkstoff 16 als Folge der zweiten Wärmebehandlung auftreten. An den berechneten Positionen dieser Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkten werden Bohrungen in einem zuvor berechneten Abstand von den Fixier- bzw. Krafteinleitungspunkten im unteren und oberen Rahmen 12 bzw. 13, derart eingebracht, dass sich die Bohrungen beim Fügen des Verbundwerkstoffes 16 mit den beiden Rahmen 12 und 13 nicht überlappen. Ein nachträgliches Spannen des Verbundwerkstoffes 16 gewährleistet ein Überdecken der Bohrungen von dem unteren und oberen Rahmen mit den Bohrungen des Verbundwerkstoffes 16. Über Verbindungselemente -hier Schrauben-, die in die Bohrungen eingebracht werden, erfolgt ein Verspannen des unteren und oberen Rahmens 12 bzw. 13 mit dem Verbundwerkstoff 16 bei Raumtemperatur. Definierte und homogen im Verbundwerkstoff 16 verteilte Zugspannungen sind in der ausführungsgemäßen Vorrichtung 1 innerhalb des Verbundwerkstoffes 16 nach dem Verspannen vorhanden. Die Rahmen 12 und 13 fixieren den aus zwei miteinander verpressten Lagen aus orientierten 17 und einer nicht orientierten 15 Polyolefinen bestehenden Verbundwerkstoff 16 derart, dass diese in Richtung der Orientierung unter Zugspannung stehen.
Wie aus 1 ersichtlich, verlaufen die Fasern und Bändchen 14 in der Lage 17 geradlinig und erstrecken sich unterbrechungsfrei über die gesamte Länge eines Halbzeugs.
Der gestreckte Verlauf der Fasern und Bändchen 14 in der Lage 17 des Verbundwerkstoffs 16 gewährleistet, dass die Fasern und Bändchen 14 nach einer zweiten Wärmebehandlung und einer Umformung der Lage 17 erhebliche Zugkräfte aufnehmen können.
Bei der zweiten Wärmebehandlung wird der in einer Vorrichtung 1 zur Halterung eines Verbundwerkstoffes unter Spannung stehende Verbundwerkstoff 16 auf ein Temperaturniveau von ca. 190°C erwärmt, also über den spannungsfreien Schmelzpunkt des höher schmelzenden orientierten Polypropylens (zwischen 160 und 165°C). Dabei befindet sich der Verbundwerkstoff 16 – mit einer Wandstärke von ca. 2,5 mm – unter Spannung in Richtung der Orientierung des orientierten Polypropylens, wodurch sich der Schmelzpunkt des orientierten Polypropylenes nach ca. 30 min auf über 200°C erhöht, sodass dieses nicht aufschmilzt.
Um eine verbesserte homogene Temperaturverteilung im Verbundwerkstoff 16 bzw. im Bauteil zu erzielen, wird der unter Spannung stehende Verbundwerkstoff 16 bei der zweiten Wärmebehandlung auf der Temperatur von 190°C gehalten, wobei die Haltezeit auf die Wandstärke des Verbundwerkstoffes, den Aufheizbedingungen angepasst wird.
Dabei wird unter Laborbedingungen in einem Versuchsofen (Umluftofen) bei der Versuchstemperatur von 190°C für einen Verbundwerkstoff 16 aus Polypropylen mit einer Wandstärke von ca. 2,5 mm eine Haltezeit von ca. 30 min gewählt. Bei einer hiervon wesentlich abweichenden Haltezeit können Werkstoffschäden auftreten. Je höher die Erwärmungstemperatur ist, desto geringer ist die Neigung des Verbundwerkstoffes 16 und letztlich des Bauteils zur Werkstofffehlerbildung (wie z.B.
Falten, Delaminationen und Mikrorisse). Deswegen wird eine möglichst hohe Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des unter Spannung stehenden Polypropylens gewählt. Die Erwärmung des Verbundwerkstoffes erfolgt in einem Heizfeld 19.
Die Herstellung und Verarbeitung eines drei-dimensionalen Bauteils aus einem Verbundwerkstoff 16 enthaltend orientierten und nicht orientierten Polypropylen wird in mehrere nacheinander ablaufende Prozessschritte aufgeteilt. Aufbauend auf einer thermischen Prozessanalyse werden die während der Umformphase optimalen Prozessparameter für eine geeignete Prozessführung wie folgt definiert:

– der unter Spannung stehende Verbundwerkstoff 16 wird in einer drei-dimensionalen Form unter Pressdruck von 60 bar (oder mehr), einer Temperatur oberhalb des spannungsfreien Schmelzpunktes des höher schmelzenden orientierten Polypropylens von ca. 190°C und einer für den Werkstoff und der Geometrie des Bauteils spezifischen Umformgeschwindigkeit – hier von 1 mm/sec –, in ca. 40 sec zu einem drei-dimensionalen Bauteil verpresst
– der Verbundwerkstoff 16 wird bei dieser Temperatur (190°C) gehalten, wobei die orientierten Polypropylene in Richtung ihrer Orientierung in der Vorrichtung 1 zur Halterung des Verbundwerkstoffes 16 unter Spannung gehalten werden.
– Dabei wird eine Werkzeugtemperatur der gekühlten oberen und unteren Pressform von ca. 35°C erreicht.

Das Umformen des Verbundwerkstoffes 16 zu einem dreidimensionalen Bauteil wird innerhalb der Rahmen 12 und 13 durch eine Matrize bzw. eine Patrize durchgeführt. Die Rahmen 12 und 13 werden in räumlich unverrückbarer Zuordnung zu der in der Umformpresse unten angeordneten Matrize gehalten. Der Verbundwerkstoff 16 wird mittels eines Heizfeldes 19 für ca. 40 sec auf eine Temperatur von ca. 190°C erwärmt. Durch Zurückbewegen der Matrize/Rahmen in die Umformpresse und Schließen des Formwerkzeugs wird der Verbundwerkstoff 16 in der Matrize gedehnt und drapiert. Dabei wird der Verbundwerkstoff in die gewünschte Form umgeformt. Damit das Umformen des Verbundwerkstoffes 16 bzw. des Halbzeugs nahezu falten- und anrissfrei erfolgen kann, wird die durch die Vorrichtung 1 zur Halterung eines Verbundwerkstoffes 16 angelegte Zugspannung im Verbundwerkstoff 16 aufrechterhalten.
In 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Abschirmungen und Isolierungen 21 dargestellt. Diese thermischen Abschirmungen und Isolierungen 21 trennen den Rahmen 12 und 13 von dem Verbundwerkstoff 16 und werden in den Ecken der Lagen aus orientierten Polypropylenen 17 eingebracht. Sie schirmen die Zugriffsflächen für eine Fixierung 18 des Verbundwerkstoffes 16 von einer unzulässig hohen Erwärmung ab und isolieren den Verbundwerkstoff 16 an den Stellen der Fixierung. Diese Abschirmung der Zugriffsflächen 18 und Isolierung des Verbundwerkstoffes 16 erfolgt derart, dass an diesen Stellen die Temperatur des Verbundwerkstoffes 16 bzw. der Zugriffsflächen für eine Fixierung 18 des Verbundwerkstoffes 16 80°C nicht wesentlich übersteigt. Dadurch wird eine Minimierung, Verzögerung oder Vermeidung der Erwärmung in den Zugriffsflächen für eine Fixierung 18 des Verbundwerkstoffes 16 bzw. in den Stellen der Fixierung des Verbundwerkstoffes gewährleist. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Vorrichtung 1 zur Halterung eines Verbundwerkstoffes 16 thermisch bedingte Spannungen aufnimmt. Die thermischen Abschirmungen und Isolierungen 21 von der Wärmequelle 19 werden dahingehend mittels Berechnungen so gestaltet und positioniert, dass kaum Werkstoffschäden im Verbundwerkstoff als Folge der thermischen Behandlung auftreten.
Alternativ können die Rahmen 12 und 13 aus einem geeigneten Werkstoff derart aufgebaut werden, dass sie neben ihrer Haltefunktion auch die Funktion der thermischen Abschirmungen und Isolierungen 21 übernehmen.
In 3 ist eine einfache Vorrichtung 1 zur Halterung eines Verbundwerkstoffes 16 mit Klemmen 31 figürlich dargestellt.
Hier wird der Verbundwerkstoff 16 derart in dem Heizfeld 19 positioniert, dass ein Teil des Verbundwerkstoffes 16 außerhalb des Heizfeldes 19 liegt und mittels Klemmen 31 befestigt wird.
Die Anbringung der Stellen der Fixierung des Verbundwerkstoffes 16 außerhalb des Heizfeldes 19 in einem hinreichenden Abstand zu der Heizquelle führt dazu, dass diesen Stellen konstruktiv bedingt kaum Wärmeenergie zugeführt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Zugriffsflächen 18, mittels denen der Verbundwerkstoff 16 fixiert ist, derart ausgebildet, dass durch die Fixierung des Verbundwerkstoffes 16 in vier Fixier- und Krafteinleitungspunkten eine mechanische Spannung an den Verbundwerkstoff 16 angelegt wird bzw. dieser eine innere mechanische Spannung aufweist. In Übereinstimmung mit den vier Fixier- und Krafteinleitungspunkten werden in den Verbundwerkstoff 16 Bohrungen eingebracht. Der Verbundwerkstoff 16 wird zwischen den Klemmen 31 eingelegt und über Verbindungselemente – hier Schrauben – mit den Klemmen 31 verspannt. Über den beweglichen Klemmen 31 wird der Verbundwerkstoff 16 definiert in die berechneten Positionen der Fixier- und Krafteinleitungspunkte gezogen und somit unter eine konstante Zugspannung gelegt. Die Klemmen 31 sind aus einem Isolationsmaterial ausgebildet und schirmen den Verbundwerkstoff an den Stellen der Fixierung vor einer unzulässig hohen Erwärmung ab.

1: Vorrichtung zur Halterung von orientierten und nicht o
: rientierten Polypropylenen
11: Hohlräume
12: Oberer Rahmen
13: CJnterer Rahmen
14: Fasern und Bändchen aus orientierten Polypropylenen
15: Folie aus nicht orientierten Polypropylenen
16: Verbundwerkstoff
17: Lage aus orientierten Polypropylenen
18: Zugriffsflächen für eine Fixierung
19: Heizfeld
21: thermische Abschirmungen und Isolierungen
31: Klemmen

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes (16) enthaltend orientierte Thermoplaste und nicht orientierte Thermoplaste, wobei die orientierten Thermoplaste unter Zugspannung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die nicht orientierten Thermoplaste, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte umfasst sind: – Einbringen von orientierten und nicht orientierten Thermoplasten in eine Pressvorrichtung; – Befestigung zumindest der orientierten Thermoplaste an einer Halteeinrichtung, die geeignet ist eine Zugspannung auf die orientierten Thermoplaste in der Richtung deren Orientierung aufzubringen; – Erwärmung der Thermoplaste auf ein Temperaturniveau oberhalb des spannungsfreien Schmelzpunktes der höher schmelzenden Thermoplaste und unterhalb des Schmelzpunktes der orientierten Thermoplaste, wobei die orientierten Thermoplaste in Richtung ihrer Orientierung unter Spannung gehalten werden; – Aufgeben eines Pressdruckes; so dass die nicht orientierten Thermoplaste aufgeschmolzen werden und die Hohlräume zwischen den orientierten Thermoplasten auffüllen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die orientierten und nicht orientierten Thermoplaste, jeweils die gleiche Art an Thermoplasten oder gleiche thermoplastische Mischungen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierten Thermoplaste aus Fasern, Faserbündeln, Halbzeugen aus Geweben, Gelegen, Matten oder Vliesen, und/oder Bändchen (14) gebildet werden und dass die nicht orientierten Thermoplaste in der Form von Folien und/oder Pulvern vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Pressvorrichtung wenigstens eine Lage orientierter Thermoplaste (17) und wenigstens eine Lage nicht orientierter Thermoplaste (15) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen aus orientierten Thermoplasten (17) als Gewebe ausgebildet werden, derart, dass eine erste Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und/oder Bändchen zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes in Kettenrichtung mit einer zweiten Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Fasern und/oder Bändchen zur Verstärkung des Verbundwerkstoffes in Schussrichtung verwebt wird, wobei vorzugsweise ein Winkel zwischen Kette und Schuss von 45–135° vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplaste aus Polyolefinen aufgebaut sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufgeben des Pressdruckes eine drei-dimensionale Form eingesetzt wird, so dass drei-dimensionale Bauteile geformt werden.