DE10313611A1 - Flächiger Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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English (en)
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Jörg Dipl.-Ing. Vetter
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Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH and Co OHG
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Abstract

Der flächige Verbundkörper besteht aus einem teilvernetzten duroplastischen Flächengebilde und einem faserverstärkten thermoplastischen Flächengebilde, die durch Wärmeeinwirkung miteinander verbunden werden. Für die Wärmeeinwirkung kommen insbesondere eine innere Reibarbeit (Ultraschallschwingungen) und/oder äußere Reibarbeit (Rotations- oder Vibrationsverbindungstechnik) in Frage. Die Teilvernetzung des Duroplasten führt gegenüber einer vollständigen Vernetzung zu höheren übertragbaren Kräften der Verbindung. Dies ist einerseits auf die bei der Teilvernetzung erhalten gebliebenen reaktiven Endgruppen des Duroplasten zurückzuführen, die mit dem Thermoplasten zwischenmolekulare Bindungen eingehen. Andererseits bildet sich durch das partielle Eindringen der Verstärkungsfasern des Thermoplasten in den teilvernetzten Duroplasten eine "Verkrallungsstruktur" aus.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen flächigen Verbundkörper sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Flächige Verbundkörper aus Thermoplasten und Duroplasten sind bekannt. Das Fügen von Thermoplasten durch Reibschweißen (Ultraschallschwingungen bzw. Vibrations-/Rotationsarbeit) ist in der industriellen Serienfertigung weit verbreitet und wurde insbesondere an unverstärktem Polypropylen und Polyamid wissenschaftlich untersucht. Zudem existieren bereits anwendungsspezifische Erfahrungen und erste Untersuchungen zum Reib- und Strahlungsschweißen technischer Thermoplaste wie z.B. glasfaserverstärktem Polyamid.
  • Auch faserverstärkte duroplastische Verbundkörper (z. B. Innenverkleidungen und Strukturanwendungen im Automobil- und Flugzeugbau) werden zunehmend eingesetzt, um metallische Materialien zu substituieren, wodurch auch an die Verbindungstechnik dieser Werkstoffsysteme neue Anforderungen gestellt werden. Diese resultieren aus Lebensdauererwartungen unter mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Zum flächigen Fügen faserverstärkter Duroplaste kommt bisher im Wesentlichen lediglich das Kleben zum Einsatz. Leider ist das Kleben immer noch sehr vorbereitungs-, zeit- und kostenintensiv. Nachteile des Klebens sind insbesondere die durch den chemischen Abbindemechanismus bedingte lange Zykluszeit (Härtezeit), eine zusätzliche Heizquelle (Ofen) oder Strahlungsquelle (Laser, UV-Lampe), eine Vorrichtung zum Aufbringen der notwendigen Anpresskraft während des Härtungszyklus und eine Vorbehandlung der Fügeflächen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flächigen Verbundkörper aus mindestens zwei Flächengebilden, von denen mindestens eines aus einem Duroplasten besteht, zu schaffen, bei dem die beiden Flächengebilde eine möglichst hohe Verbindungsfestigkeit haben. Ferner soll durch die Erfindung ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundkörpers angegeben werden.
  • Ein Verbundkörper gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines derartigen Verbundkörpers ist in Anspruch 11 definiert.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass statt eines vollständig vernetzten Duroplasten ein nur teilweiser vernetzter Duroplast verwendet wird. Eine Teilvernetzung lässt sich dadurch erzielen, dass der Duroplast nicht entsprechend den Herstellerangaben, sondern bei niedrigeren Temperaturen und/oder über kürzere Härtungszeiten verarbeitet wird. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, führt die Verwendung eines teilvernetzten Duroplasten in einem Verbundkörper gemäß der Erfindung zu einer erhöhten Verbindungsfestigkeit zwischen den Flächengebilden.
  • Dies dürfte zum einen daher rühren, dass das teilvernetzte duroplastische Flächengebilde eine reduzierte Oberflächenhärte hat, die von den Fasern des faserverstärkten thermoplastischen Flächengebildes bei Wärmeeinwirkung leichter „durchdrungen" werden kann, was zu einer Art „Verkrallungsstruktur" in der Grenzschicht zwischen den Flächengebilden führt. Zum anderen dürften aufgrund der Teilvernetzung reaktive Endgruppen des Duroplasten bestehen bleiben, die bei Wärmeeinwirkung mit dem faserverstärkten Thermoplasten reagieren und zu chemischen Bindungen führen, was die übertragbaren Kräfte zwischen den Flächengebilden weiter erhöht. Insgesamt ergibt sich somit eine deutlich erhöhte Verbindungsfestigkeit des Verbundkörpers.
  • Grundsätzlich lässt sich die Wärmeeinwirkung zum Verbinden der Flächengebilde durch externe Wärmezufuhr wie Strahlung erzeugen. Vorteilhafterweise wird die Wärmeeinwirkung jedoch durch innere Reibarbeit (Ultraschallschwingungen) und/oder äußere Reibarbeit (Vibrations-, Rotationsbewegungen) erzeugt. Besonders bevorzugt wird eine Vibrationsverbindungstechnik nach Art des Reibschweißens.
  • Die Reibbewegungen begünstigen das „Aufreiben" und somit das Eindringen der Fasern des faserverstärkten Thermoplasten in das teilvernetzte duroplastische Flächengebilde. Es ergibt sich dann zusätzlich zu der chemischen Bindung eine deutlich verbesserte mechanische Verankerung (Verkrallungsstruktur) in der Grenzschicht zwischen den Flächengebilden.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat gegenüber dem herkömmlichen Kleben den Vorteil deutlich reduzierter Zykluszeiten, die sich insbesondere bei Einsatz industrieller Reibschweißmaschinen für die erfindungsgemäß vorgesehene Vibrationsverbindungstechnik ergeben. Auch kann in diesem Fall auf eine Vorbehandlung der Flächengebilde verzichtet werden, da durch die Reibbewegung und den Schmelzefluss etwaige Verunreinigungen der Fügeflächen ausgetrieben werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten und das Flächengebilde aus teilvernetztem Duroplasten jeweils als vorgefertigtes Formteil oder Halbzeug ausgebildet sind. In diesem Fall besteht der Verbundkörper lediglich aus einem teilvernetzten duroplastischen Fügepartner und einem faserverstärkten thermoplastischen Fügepartner.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten als Zwischenschicht ausgebildet ist, die zwischen einem ersten Formteil oder Halbzeug aus teilvernetztem Duroplasten und einem zweiten Formteil oder Halbzeug aus teilvernetztem Duroplasten angeordnet ist. In diesem Fall dient somit das faserverstärkte thermoplastische Flächengebilde lediglich als Zwischenschicht zum Verbinden zweier teilvernetzter duroplastischer Formteile oder Halbzeuge.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Verbundkörpers aus einem duroplastischen Formteil und einem faserverstärkten thermoplastischen Formteil;
  • 2 eine schematische Schnittansicht eines Verbundkörpers aus zwei duroplastischen Formteilen und einer faserverstärkten thermoplastischen Zwischenschicht;
  • 3 schematische Darstellungen unterschiedlicher kinematischer Varianten des äußeren Reibschweißens;
  • 4 eine der 2 entsprechende Schnittansicht mit einer vergrößerten schematischen Darstellung der „Grenzschichten" zwischen den duroplastischen Formteilen und der thermoplastischen Zwischenschicht;
  • 5 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Abhängigkeit der übertragbaren Kräfte vom Vernetzungsgrad des teilvernetzten Duroplasten.
  • Der in 1 schematisch dargestellte großflächige Verbundkörper setzt sich aus einem Flächengebilde in Form eines teilvernetzten duroplastischen Formteils 1 und einem Flächengebilde in Form eines faserverstärkten thermoplastischen Formteils 2 zusammen, die in noch zu beschreibender Art und Weise miteinander verbunden sind.
  • Die Teilvernetzung des duroplastischen Formteils 1 entsteht, wie bereits erwähnt, dadurch, dass der Duroplast nicht entsprechend den Herstellerangaben, sondern bei niedrigeren Temperaturen und/oder über kürzere Härtungszeiten verarbeitet wird.
  • Als Material für das teilvernetzte duroplastische Formteil 1 kommen grundsätzlich alle gängigen Duroplaste wie z. B. Epoxid-, ungesättigte Polyester-, Acrylat-, Phenol- und Melaminharze in Frage, die mit oder ohne Faserverstärkung eingesetzt werden können. Beispielhaft sei ein Epoxidharz-Laminat mit einer Verstärkung aus Kohlenstofffasern (CF-EP-Laminat) genannt.
  • Als Material für das glasfaserverstärkte thermoplastische Formteil 2 kommen insbesondere technische Thermoplaste wie z. B. Polyamid (z. B. PA 6), Polypropylenterephtalat (PBT), Polyester (PE), Polyetheremid (PEE) in Frage. Es können jedoch auch andere Thermoplaste verwendet werden. Die Faserverstärkung des thermoplastischen Formteils kann dabei als Kurz-, Lang- oder Endlosfaserverstärkung ausgeführt sein, wobei als Fasern alle gängigen Verstärkungsfasern wie Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Natur- und Kunststofffasern eingesetzt werden können. Der Faseranteil sollte hierbei mindestens 15 % des Gesamtgewichtes des faserverstärkten Thermoplasten betragen.
  • Die Formteile 1 und 2 werden durch eine Reibverbindungstechnik miteinander verbunden, wie durch den Pfeil V in 1 angedeutet ist. Kinematische Varianten der Reibverbindungstechnik gehen aus 3 hervor, in der mit den Buchstaben l, a, o, z lineare, angulare, biaxiale (orbitale) Vibrationen bzw. rotatorische Bewegungen bezeichnet sind.
  • Die unter einem vorgegebenen Fügedruck (Pfeil F) ausgeführten Reibbewegungen und die dadurch erzeugte Wärmeeinwirkung führen dazu, dass sich die Fasern des faserverstärkten thermoplastischen Formteils 2 in die relativ weiche Oberfläche des teilvernetzten duroplastischen Formteils 1 reiben und somit ein „Herauslösen" und „Unterwandern" oberflächennaher Schichten fördern. Dies wird, wie bereits erwähnt, durch die Teilvernetzung des Duroplasten und der dadurch bedingten geringeren Härte des Formteils 1 begünstigt. In der Grenzschicht zwischen den Formteilen 1 und 2 entsteht somit eine „Verkrallungsstruktur", die zu einer mechanischen Verankerung führt. Des weiteren bewirken noch verbliebene reaktive Endgruppen chemische Bindungen über die Fügeebene hinweg. Die Folge ist eine insgesamt verbesserte Verbindungsfestigkeit zwischen den Formteilen 1 und 2.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 sind zwei vorgefertigte teilvernetzte duroplastische Formteile 3, 4 vorgesehen, die durch eine faserverstärkte thermoplastische Zwischenschicht 5 miteinander verbunden sind. Der Verbundkörper der 2 lässt sich auf zwei prinzipiell unterschiedliche Arten herstellen:
    Zum einen kann die Zwischenschicht 5 als vorgefertigtes faserverstärktes thermoplastisches Flächengebilde hergestellt werden, das dann durch eine wie oben beschriebene äußere Reibverbindungstechnik mit den beiden teilvernetzten duroplastischen Formteilen 3, 4 verbunden wird. Wie in 4 schematisch angedeutet, entstehen dann in den Grenzschichten 6, 7 zwischen den Formteilen 3, 4 und der Zwischenschicht 5 „Verkrallungsstrukturen", die zusammen mit den chemischen Bindungen für die hohe Verbindungsfestigkeit der Flächengebilde des Verbundkörpers sorgen.
  • Zum anderen kann die faserverstärkte thermoplastische Zwischenschicht 5 durch Extrusion oder Spritzgießen auf eines der beiden Formteile 3, 4 aufgebracht werden. Anschließend wird die Zwischenschicht 5 mit dem anderen Formteil in Kontakt gebracht und durch die beschriebene Reibverbindungstechnik mit diesem verbunden. Es entstehen dann zwei Grenzschichten 6, 7 unterschiedlicher Verbindungsfestigkeit.
  • Wenn auch die beschriebene Reibverbindungstechnik die bevorzugte Verbindungsart ist, könnte die zum Verbinden der Flächengebilde erforderliche Wärme jedoch auch durch Ultraschallschwingungen oder auch berührungslos, insbesondere durch Strahlung wie z.B. breitbandige Infrarotstrahlung, infrarote Laserstrahlung oder Mikrowellen in die Fügezone eingebracht werden.
  • Das Diagramm der 5 zeigt Versuchsergebnisse anhand zweier Verbundkörper gemäß 1, die im Zugscherversuch getestet wurden. Das teilvernetzte duroplastische Formteil 1 bestand aus einem Epoxidharz-Laminat mit einer unidirektionalen Verstärkung aus quasi endlosen Kohlenstofffasern (CF-EP-Laminat), während das faserverstärkte thermoplastische Formteil 2 aus einem Polyamid 6 mit einer Kurzglasfaserverstärkung von 60 Gew.-% (PA6-GF60) bestand. Der Aushärtegrad des duroplastischen Formteils 1 betrug im einen Fall 78% und im anderen Fall 95%.
  • Wie das Diagramm zeigt, führte ein Aushärtegrad von 78 % zu deutlich höheren übertragbaren Kräften zwischen den Formteilen 1 und 2 als ein Aushärtegrad von 95 %. Dieser Sachverhalt, wie auch strukturanalytische Untersuchungen, bestätigen, dass ein geringerer Vernetzungsgrad zu einer geringeren Härte des duroplastischen Formteils 1 führt und somit ein „Herauslösen" und „Unterwandern" oberflächennaher Schichten und dadurch eine mechanische Verankerung mit dem faserverstärkten thermoplastischen Formteil 2 fördert. Weitere Versuche haben gezeigt, dass die erhöhte Verbindungsfestigkeit nicht allein auf die mechanische Verankerung, sondern auch auf zwischenmolekulare Bindungen zurückzuführen ist, die sich durch eine Reaktion der bei der Teilvernetzung verbliebenen reaktiven Endgruppen des duroplastischen Fügepartners mit dem thermoplastischen Formteil ergeben.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den Formteilen 1, 2 bzw. 3, 4 auch um Halbzeuge handeln kann.

Claims (18)

  1. Flächiger Verbundkörper mit einem Flächengebilde aus einem teilvernetzten Duroplasten und einem Flächengebilde aus einem faserverstärkten Thermoplasten, die durch Wärmeeinwirkung flächig miteinander verbunden sind.
  2. Flächiger Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung durch innere und/oder äußere Reibarbeit erzeugt wurde.
  3. Flächiger Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung durch kontaktlose Wärmezufuhr erzeugt wurde.
  4. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teilvernetzte Duroplast ein Epoxid-, ungesättigtes Polyester-, Phenol-, Acrylat- oder Melamin-Harz ist.
  5. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Thermoplast ein technischer Thermoplast ist.
  6. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Thermoplasten mindestens 15 % des Gesamtgewichts des faserverstärkten Thermoplasten ausmacht.
  7. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des faserverstärkten Thermoplasten Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Natur- oder Kunststofffasern sind.
  8. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus dem faserverstärkten Thermoplasten und/oder das Flächengebilde aus dem teilvernetzten Duroplasten jeweils als vorgefertigtes Formteil (2, 1) ausgebildet sind.
  9. Flächiger Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus dem faserverstärkten Thermoplasten und/oder das Flächengebilde aus dem teilvernetzten Duroplasten jeweils als vorgefertigtes Halbzeug ausgebildet sind.
  10. Flächiger Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten als Zwischenschicht (5) ausgebildet ist, die zwischen einem ersten Formteil (3) oder Halbzeug aus einem teilvernetzten Duroplasten und einem zweiten Formteil (5) oder Halbzeug aus einem teilvernetzten Duroplasten angeordnet ist.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers, bei dem ein Flächengebilde aus einem teilvernetzten Duroplasten und ein Flächengebilde aus einem faserverstärkten Thermoplasten flächig miteinander in Kontakt gebracht und durch Wärmeeinwirkung miteinander verbunden werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung durch innere und/oder äußere Reibarbeit erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung durch Ultraschallschwingungen und/oder Vibrationsbewegungen und/oder Rotationsbewegungen erzeugt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung durch kontaktlose Wärmezufuhr erzeugt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr durch breitbandige Infrarotstrahlung oder infrarote Laserstrahlung oder Mikrowellen erzeugt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten und das Flächengebilde aus teilvernetztem Duroplasten jeweils als vorgefertigtes Formteil (2, 1) oder Halbzeug bereitgestellt und anschließend durch die Wärmeeinwirkung miteinander verbunden werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander zu verbindende vorgefertigte Formteile (3, 4) oder Halbzeuge aus teilvernetztem Duroplasten bereitgestellt werden, dass ein Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten als Formteil oder Halbzeug bereitgestellt wird, und dass dann die beiden Formteile (4, 5) oder Halbzeuge aus teilvernetztem Duroplasten mit dem Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten durch Wärmeeinwirkung so verbunden werden, dass das Flächengebilde aus faserverstärktem Thermoplasten als die beiden Formteile (3, 4) oder Halbzeuge verbindende Zwischenschicht (5) dient.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei vorgefertigte Formteile (3, 4) oder Halbzeuge aus teilvernetztem Duroplasten bereitgestellt werden, dass der faserverstärkte Thermoplast durch Extrusion oder Spritzgießen auf eines der beiden Formteile (4, 5) oder Halbzeuge aufgebracht und nach dem Erstarren mit dem anderen Formteil oder Halbzeug durch Wärmeeinwirkung so verbunden wird, dass der faserverstärkte Thermoplast als die beiden Formteile (3, 4) oder Halbzeuge verbindende Zwischenschicht (5) dient.
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