DE112016004611T5 - Overmolded carbon fiber structures with adjusted void content and uses thereof - Google Patents
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Abstract
Zusammenfassung: Die vorliegende Erfindung betrifft neue Kohlenstoff-Verbundstoffe mit sehr hohen richtungsabhängigen Eigenschaften, die in der Richtung der UD-Kohlenstoffschicht höher sind, und mit verbesserter Fehlermöglichkeit gegenüber vollen Kohlefasern und standardmäßigen Verbundstofffasern. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser Kohlenstoff-Verbundstoffe mit einer neuen umspritzten Thermoplastenzusammensetzung, die umspritzte Thermoplastenzusammensetzung, Verfahren zu deren Herstellung sowie aus diesen Kohlenstoff-Verbundstoffen gefertigte Artikel. Summary: The present invention relates to novel carbon composites having very high directional properties which are higher in the direction of the UD carbon layer, and with improved potential for failure over full carbon fibers and standard composite fibers. Further, the invention relates to a method of making these carbon composites with a new overmolded thermoplastic composition, the overmolded thermoplastic composition, methods of making same, and articles made from these carbon composites.
Description
Fachgebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlefaser-Verbundstoffe (CF-Verbundstoffe) zur Verwendung in Verbundstrukturen, z.B. für Automobil-, industrielle, Verbraucher- oder Raumfahrtanwendungen.The present invention relates to carbon fiber composites (CF composites) for use in composite structures, e.g. for automotive, industrial, consumer or aerospace applications.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Mit dem Ziel, Metallbauteile zwecks Gewichts- und Kosteneinsparung zu ersetzen und dabei eine vergleichbare oder überlegene mechanische Leistung zu erzielen, sind Strukturen entwickelt worden, die auf Verbundstoffen basieren und eine Polymermatrix, die ein Fasermaterial enthält, umfassen.With the aim of replacing metal components for weight and cost savings while achieving comparable or superior mechanical performance, structures based on composites and comprising a polymer matrix containing a fibrous material have been developed.
Für Anwendungen mit hohen Anforderungen, z.B. Strukturbauteile für Automobil- und Raumfahrtanwendungen, sind Verbundstoffe aufgrund einer einzigartigen Kombination aus leichtem Gewicht, hoher Festigkeit und Temperaturbeständigkeit wünschenswert.For applications with high requirements, e.g. Structural components for automotive and aerospace applications, composites are desirable due to a unique combination of light weight, high strength and temperature resistance.
Bei Glasfaserverbundstoffen sind jedoch Einschränkungen bezüglich der Steifheit und der gewichtsspezifischen Steifheit gegenüber metallischen Stoffen wie z.B. Stahl und Aluminium festgestellt worden. Um die erforderliche Steifheit der Bauteile zu erreichen, sind bei der Verwendung von Glasfaserverbundstoffen erweiterte Designräume erforderlich, die je nach der Art des jeweiligen Bauteils leider häufig nicht zur Verfügung stehen.However, in fiberglass composites, there are limitations in stiffness and weight specific stiffness to metallic materials such as e.g. Steel and aluminum have been found. In order to achieve the required stiffness of the components, the use of fiberglass composites requires extended design space which, unfortunately, is often not available depending on the type of component.
Andererseits weisen Kohlenstoff-Verbundstoffe aufgrund des hohen Fasermoduls ausgezeichnete gewichtsspezifische Eigenschaften auf, und können mit erheblichen Gewichtseinsparungen an die Stelle von Metall treten, bei der Verwendung von Kohlefaser-Verbundstoffen für Massenanwendungen, z.B. in den Sektoren Kfz-Bau und Verbraucherelektronik, tritt jedoch die Kosteneffizienz in den Vordergrund.On the other hand, because of the high fiber modulus, carbon composites have excellent weight specific properties, and can take the place of metal with significant weight savings when using carbon fiber composites for mass applications, e.g. However, in the motor vehicle and consumer electronics sectors, cost-effectiveness has come to the fore.
Leistungsfähige Verbundstrukturen können mit wärmehärtbaren Harzen oder Thermoplasten als Polymermatrix hergestellt werden. Neben den Kosten des im schlussendlichen Bauteil verwendeten Kohlefasermaterials sind zwei Fragen von Bedeutung, was die Senkung der Herstellungskosten von Kohlefaser-Verbundstoffen anbelangt.Efficient composite structures can be made with thermosetting resins or thermoplastics as polymer matrix. In addition to the cost of the carbon fiber material used in the final component, two issues are important in terms of reducing the cost of manufacturing carbon fiber composites.
Bei der ersten Frage handelt es sich um schnelle Zykluszeiten bei der Herstellung der Bauteile. Verbundstrukturen auf Thermoplastenbasis weisen gegenüber Verbundstrukturen auf Duroplastenbasis mehrere Vorteile auf; hierzu gehört insbesondere die Möglichkeit zur Nachformung oder Wiederverarbeitung durch die Anwendung von Wärme und Druck. Bei der Bauteilherstellung wird die Zykluszeit durch die Wärmeübertragung beim Stanz- oder Spritzgussvorgang eingeschränkt, bei dem geschmolzene Thermoplasten in Zykluszeiten geformt werden, die typischerweise unterhalb von 60 s liegen. Außerdem ist weniger Zeit erforderlich, um die thermoplastischen Verbundstrukturen herzustellen, als es bei duroplastischen Verbundstoffen der Fall ist, da beim Härtungsschritt keine Zeit für den Eintritt der Vernetzungsreaktion benötigt wird, die zusätzliche Verarbeitungslinien für höhere Produktionsvolumina erfordert, und sie weisen auch ein größeres Wiederverwendungspotenzial auf.The first question is fast cycle times in the manufacture of components. Thermoplastic-based composite structures have several advantages over thermoset-based composite structures; This includes in particular the possibility of re-forming or reprocessing by the application of heat and pressure. In component manufacturing, cycle time is limited by heat transfer in the stamping or injection molding process, where molten thermoplastics are molded in cycle times typically less than 60 seconds. In addition, less time is required to produce the thermoplastic composite structures than is the case with thermoset composites because the curing step does not require time to initiate the crosslinking reaction, which requires additional processing lines for higher production volumes, and also has greater reuse potential ,
Bei der zweiten Frage handelt es sich um das Verhältnis des Ausgangsmaterials zu dem im schlussendlichen geformten Bauteil verwendeten Material, wobei ein Verhältnis von 1 : 1 den Idealfall darstellt. Werden Kohlefaserarchitekturen auf Textilbasis, z.B. Gewebe oder multiaxiale Gelege, verwendet, und wenn die unbehängte Vorlage vom schlussendlichen Bauteil zum Ausgangsmaterial nicht geradlinig sondern kurvenförmig ist, fallen Abfälle an, was selbst bei einer Wiederverwendung in unterschiedlichen Materialderivaten mit geringerer Leistung kostenintensiv ist.The second question is the ratio of the starting material to the material used in the final molded part, with a 1: 1 ratio being the ideal case. Become a textile based carbon fiber architectures, e.g. Tissue or multiaxial scrims are used, and when the unattached master from the final component to the parent material is not straight but curved, waste accumulates, which is costly even when reused in different lower-performance material derivatives.
Folglich ist ein thermoplastisches Kohlefaser-Verbundsystem für schnelle Zykluszeiten und hohe Produktionsvolumina wünschenswert, bei dem auch das Abfall- oder Beschnittvolumen bei Textilien für Breitwaren begrenzt wird.Thus, a thermoplastic carbon fiber composite system is desirable for fast cycle times and high production volumes, which also limits the waste or trim volume of wide fabric fabrics.
Eine weitere Anforderung, die an viele Strukturen in zahlreichen Industrien, z.B. der Kfz-Industrie, gestellt wird, besteht darin, dass die aus dem Kohlefaser-Thermoplasten bestehende Struktur nicht nur beim normalen Gebrauch steif ist, sondern auch erhebliche Energiemengen bei einem Aufprall oder Versagen aufnimmt, wodurch entweder andere Bauteile der Struktur oder die damit zusammenhängenden Insassen oder Waren geschützt werden.Another requirement that is common to many structures in many industries, e.g. In the automotive industry, the carbon fiber thermoplastic structure is not only stiff in normal use, but also absorbs significant amounts of energy in a crash or failure, resulting in either other components of the structure or the occupants associated therewith or goods are protected.
Allgemein bekannt ist, dass Kohlefaser-Verbundstoffe zur Aufnahme erheblicher Energiemengen beim Aufprall, v.a. bei axialen Aufprällen, bei denen die Delaminierung der Kohlefasern aus dem Matrixharz und den betroffenen großen Schnittstellenbereichen große Energiemengen aufnehmen kann. It is generally known that carbon fiber composites can absorb large amounts of energy on impact, especially in axial impacts, where the delamination of the carbon fibers from the matrix resin and the large interface areas involved can absorb large amounts of energy.
Anwendungen, die in Aufprallsituationen zum Einsatz kommen, müssen häufig einer gewünschten Kraft-Weg-Kurve folgen, sodass das Eindringen begrenzt und dabei eine hohe Kraftspitze und ein katastrophales Versagen der Komponente vermieden werden. Vielmehr bedarf es eines kontrollierten Ansprechens, sodass das geformte Teil einen Widerstand bei gegebenem Eindringen ohne erhebliches Versagen gegen die Krafteinwirkung bis zu einer gewünschten Kraftspitze aufbaut, worauf fortschreitende Schäden und ein deutlicher Anstieg der Energieabsorption folgen.Applications used in crash situations often need to follow a desired force-displacement curve, limiting intrusion while avoiding a high force peak and catastrophic failure of the component. Rather, it requires a controlled response so that the molded part builds up a resistance at given penetration without significant failure against the force to a desired force peak followed by progressive damage and a significant increase in energy absorption.
Es hat sich herausgestellt, dass sich bei voll imprägnierten Kohlefaser-Nylonbalken, die mit standardmäßigen Glasfaser-Nylonharzen umspritzt sind, als Beispiel von Strukturen bei Kfz-, Verbraucherelektronik- und sonstigen Bauteilen dieser Art, bei Versuchen die Last bis zum katastrophalen Versagen aufbaut.It has been found that in fully impregnated carbon fiber nylon bars overmoulded with standard glass fiber nylon resins, as an example of structures in automotive, consumer electronics and other components of this type, the load builds up to catastrophic failure in trials.
Eine allgemein bekannte Annahme lautet, dass für eine hohe Steifheit und gute mechanische Eigenschaften insgesamt bei Kohlefaserstrukturen ein geringer Hohlraumgehalt, vorzugsweise unter 2 %, wünschenswert ist. Um dies zu erreichen, ist bekannt, voll imprägniertes Karbonband mit weniger als 2 % Hohlräumen aus Ausgangsmaterial der Struktur zu verwenden, oder teilimprägniertes Karbonband zu verwenden, das dann in einem zweiten Schritt nach dem Einbau vorkonsolidiert wird, um den Hohlraumgehalt auf etwa 2 % oder weniger zu reduzieren. Diese Verfahren sind beide mit hohen Kosten verbunden.A well-known assumption is that for high stiffness and good mechanical properties overall, low void content, preferably below 2%, is desirable in carbon fiber structures. To achieve this, it is known to use fully impregnated carbon ribbon with less than 2% voids of raw material of the structure, or to use partially impregnated carbon ribbon, which is then preconsolidated in a second step after incorporation to reduce voids content to about 2% or so less to reduce. These methods are both associated with high costs.
Die Herausforderung besteht also darin, Strukturen mit einer Steifheit bereitzustellen, die mit derjenigen der voll imprägnierten Kohlefaser-Nylonbalken vergleichbar ist, wodurch diese eine ähnliche Spitzenlast bei niedrigeren Kosten sowie verbesserte Energieabsorptionseigenschaften erreichen können. Höhere Energieabsorptionseigenschaften sind vorteilhaft, um hohe Kräfte für größere Verschiebungen aufrecht zu erhalten, insbesondere um eine Lastaussteuerung und ein angepasstes Durchreißen des Bauteils zu ermöglichen.The challenge, therefore, is to provide structures with a stiffness comparable to that of the fully impregnated carbon fiber nylon beams, allowing them to achieve similar peak load at a lower cost and improved energy absorption properties. Higher energy absorption properties are advantageous in order to maintain high forces for larger displacements, in particular to allow a load control and an adapted rupture of the component.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbundstoff auf Kohlefaserbasis bereitzustellen, der eine hohe Steifheit und dennoch ein hohes Energieabsorptionsvermögen und eine hohe Bruchdehnung aufweist.An object of the present invention is to provide a carbon fiber-based composite which has high stiffness and yet high energy absorption capacity and high elongation at break.
Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, einen aus einem Verbundstoff auf Kohlefaserbasis bestehenden Artikel bereitzustellen, der ein hohes Energieabsorptionsvermögen und eine hohe Bruchdehnung aufweist.Another object of the present invention is to provide a carbon fiber based composite article having high energy absorption capacity and high elongation at break.
Es ist vorteilhaft, einen Verbundstoff auf Kohlefaserbasis, sowie daraus hergestellte Artikel, bereitzustellen, die sich wirtschaftlich herstellen lassen.It is advantageous to provide a carbon fiber-based composite and articles made therefrom which are economical to manufacture.
Es ist vorteilhaft, einen Verbundstoff auf Kohlefaserbasis, sowie daraus hergestellte Artikel, bereitzustellen, bei denen das Abfall- bzw. Beschnittvolumen reduziert wird.It is advantageous to provide a carbon fiber based composite and articles made therefrom in which the scraping volume is reduced.
Es ist vorteilhaft, einen Verbundstoff auf Kohlefaserbasis, sowie daraus hergestellte Artikel, bereitzustellen, die gleichbleibende und zuverlässige Eigenschaften aufweisen.It is advantageous to provide a carbon fiber-based composite, as well as articles made therefrom, which have consistent and reliable properties.
Die Zielsetzungen dieser Erfindung sind dadurch erreicht worden, dass das Verfahren nach Anspruch 1, der Verbundstoff nach Anspruch 22, der umspritzbare Thermoplast nach Anspruch 35 und das Herstellungsverfahren davon nach Anspruch 20 bereitgestellt werden.The objectives of this invention have been achieved by providing the method of
Offenbart wird vorliegend ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlefaser-Verbundstruktur, umfassend:
- (i) Vorsehen von mindestens zwei Schichten aus unidirektionalem (UD) Kohlefaserband, wobei das UD-Kohlefaserband unidirektionale Kohlefasern umfasst, die in einen Thermoplasten imprägniert sind, wobei das Faser-Harz-Verhältnis im Bereich von 50 % bis 70 % liegt und der anfängliche Hohlraumgehalt vor dem
Stapeln 2 % übersteigt; - (ii) Stapeln der mindestens zwei Schichten aus UD-Kohlefaserband in einer diagonalen Anordnung in Bezug aufeinander;
- (iii) Anwenden von Wärme bei einer zum Schmelzen des Thermoplasten geeigneten Temperatur;
- (iv) Kühlen der erwärmten gestapelten Schichten unter Druck, um die Verbundstruktur zu härten,
- (i) providing at least two layers of unidirectional (UD) carbon fiber tape, the UD carbon fiber tape comprising unidirectional carbon fibers impregnated in a thermoplastic, wherein the fiber to resin ratio is in the range of 50% to 70% and the initial one Void content before stacking exceeds 2%;
- (ii) stacking the at least two layers of UD carbon fiber ribbon in a diagonal arrangement with respect to each other;
- (iii) applying heat at a temperature suitable for melting the thermoplastic;
- (iv) cooling the heated stacked layers under pressure to cure the composite structure,
Versuchsdaten sprechen dafür, dass bei erfindungsgemäßen Verbundstoffen, bei denen die unidirektionalen CF-Bündel bereits mit dem Thermoplasten in Form eines UD-CF-Bandes vorimprägniert sind, wobei die UD-CF-Bandschichten erfindungsgemäß in Bezug aufeinander in einer diagonalen Anordnung gestapelt werden, und wobei der resultierende Stapel aus Kohlefaserschichten einen Hohlraumgehalt von mehr als 2 % aufweist, die Umspritzung eines derartigen Stapels mit einem erfindungsgemäßen Harz überraschenderweise zu einem Verbundstoff führt, der nicht nur eine mit denen eines vorkonsolidierten Kohlefasermaterials vergleichbare Steifheit und Spitzenlast, sondern auch eine gegenüber dem vorkonsolidierten Kohlefasermaterial deutlich erhöhte Spitzenlastenergie und Energie bis zum erheblichen Versagen aufweist.Experimental data suggest that composites according to the invention, in which the unidirectional CF bundles are already pre-impregnated with the thermoplastic in the form of a UD-CF tape, wherein the UD-CF tape layers are stacked according to the invention with respect to each other in a diagonal arrangement, and wherein the resulting stack of carbon fiber layers has a void content greater than 2%, the overmolding of such a stack with a resin according to the invention surprisingly results in a composite having not only a stiffness and peak load comparable to those of a preconsolidated carbon fiber material but also one preconsolidated Carbon fiber material has significantly increased peak load energy and energy to significant failure.
Die Erfindung betrifft also die unerwarteten Feststellungen von neuen Kohlenstoff-Verbundstoffen mit ausgezeichneter Bruchdehnung und Lastenretention bei Dehnungen, die die maximale Kraftspitze deutlich übersteigen. Diese Verbundstoffe mit diesen verbesserten Eigenschaften finden dort praktische Anwendung, wo eine hohe Steifheit sowie eine hohe Energieabsorption erforderlich sind, z.B. Aufprallschutz bei Kfz- und anderen Anwendungen. Wider Erwarten hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von unidirektionalen Kohlefaserbändern (UD-Kohlefaserbändern), die aus langen oder durchgehenden UD-Kohlefasersträngen bestehen, die mit einem Thermoplasten (z.B. in einer durchgehenden Pultrusion oder einem sonstigen Bandherstellungsverfahren, insbesondere ein- oder doppelseitiger Schmelzeschichtung, Drahtbeschichtung, Faserverkapselung durch Harz, reaktiver Thermoplastenimprägnierung und Pulverimprägnierung (wobei das Ziel darin besteht, ein imprägniertes UD-Band aus Kohlefaser und Polyamid vorzufertigen)) imprägniert ist, bei der Bildung eines Kohlefaser-Verbundstoffs, wobei der Hohlraumgehalt 2 % übersteigt, in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Umspritzharz, das zur effizienten Erwärmung beim Umspritzen der äußeren vorimprägnierten Kohlenstoffschichten modifiziert ist, eine erhöhte Energieabsorption bei gleichwertiger Steifheit gegenüber der Verwendung der vorimprägnierten Kohlefaserschichten mit geringerem Hohlraumgehalt als Ausgangsmaterial beim Stapeln und Warmformen oder einem anderen Umspritzharz führt. Das Stapeln der CF-Schichten zur Bildung von Laminaten sowie der Warmformprozess nach dem Stapeln der Schichten können zusammen Standardverfahren verwenden (z.B. mit Laminatoren, Doppelbandpressen, kontinuierlicher Ausformung, usw.).The invention thus relates to the unexpected findings of new carbon composites with excellent elongation at break and load retention at strains that significantly exceed the maximum peak force. These composites with these improved properties find practical application where high stiffness and high energy absorption are required, e.g. Impact protection in automotive and other applications. Contrary to expectations, it has been found that the use of unidirectional carbon fiber ribbons (UD carbon fiber ribbons), which consist of long or continuous UD carbon fiber strands, with a thermoplastic (eg in a continuous pultrusion or other band production process, in particular one or double-sided melt coating, Wire coating, fiber encapsulation by resin, reactive thermoplastic impregnation and powder impregnation (the aim being to impregnate an impregnated carbon dioxide / polyamide UD tape)) in the formation of a carbon fiber composite wherein the void content exceeds 2% in conjunction with an overmolding resin according to the invention, which is modified for efficient heating during encapsulation of the outer prepreg carbon layers, increased energy absorption at equivalent stiffness against the use of pre-impregnated carbon fiber layers with geri Another void content as a starting material during stacking and thermoforming or another Umspritzharz leads. The stacking of the CF layers to form laminates, as well as the thermoforming process after stacking the layers may together use standard techniques (e.g., with laminators, double belt presses, continuous forming, etc.).
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundstoffes sind insbesondere deshalb unerwartet, da er aus UD-Bändern mit Hohlraumgehalten nach der Bandherstellung von mehr als 2 %, z.B. einem Hohlraumgehalt von etwa 4 bis 12 % oder von etwa 6 bis 8 %, besteht, und dabei eine hohe Steifheit und gute mechanische Eigenschaften insgesamt aufweist. Diese Eigenschaften ermöglichen es, UD-Bänder zu verwenden, die sich kostengünstiger herstellen lassen und zum unmittelbaren Stanzbiegen zu einer Schalenstruktur mit einer Heizvorrichtung, einer Presse und einem Formwerkzeug geeignet sind, ohne dass voll imprägniertes Band oder ein weiterer Vorkonsolidierungsschritt erforderlich wären.The properties of the composite according to the invention are particularly unexpected since it consists of UD tapes with cavity contents after tape production of more than 2%, e.g. a void content of about 4 to 12%, or about 6 to 8%, while having high stiffness and good overall mechanical properties. These properties make it possible to use UD tapes that are less expensive to manufacture and are capable of being directly stamped into a shell structure with a heater, press, and mold without the need for fully impregnated tape or another preconsolidation step.
Überraschend sind die Steifheit und Spitzenlast, die mit Kohlefasermaterial mit geringem Hohlraumgehalt gleichwertig sind, und der Zugewinn an Leistung bei Spitzenkraft, die beim erfindungsgemäßen Kohlefaser-Verbundstoff zu beobachten ist, während gleichzeitig ein Verbundstoff bei geringeren Kosten als bei standardmäßigen Kohlefasern bereitgestellt wird.Surprisingly, the stiffness and peak load equivalent to low voids carbon fiber material and the gain in peak power that can be observed in the carbon fiber composite of the present invention while providing a composite at a lower cost than standard carbon fibers.
Weitere Gegenstände und vorteilhafte Aspekte der Erfindung sind sowie den Patentansprüchen sowie der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen.Further objects and advantageous aspects of the invention can be found as well as the patent claims and the following detailed description and the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt Balken (A & B), die aus einem flachen Verbundstoffplatten gemäß Ausführungsformen der Erfindung und aus Vergleichsmaterial geformt sind, die dann mit einem mit kurzen Fasern gefüllten Harz umspritzt wurden, sowie die im Beispiel 1 beschriebenen Versuche zu den mechanischen Eigenschaften (Biegeprüfungsbett) eines aus einer Laminatplatte aus einem erfindungsgemäßen Verbundstoff gegenüber einem Vergleichsverbundstoff (C & D). Dargestellt wird ferner die spezifische Geometrie des mit einem erfindungsgemäßen Verbundstoff hergestellten Balkens (E & F & G). Die generische Balkenstruktur weist eine Länge von 730 mm (B), eine obere Rippenstärke von 2 mm, eine Breite von 140 mm (B), eine Laminatschalenstärke von 1,5 mm, die mit 1,5 mm Umspritzpolymer (G) umspritzt ist, mit einer Höhe von 15 mm, 30 mm und 50 mm in den verschiedenen Schritten (F) auf. Das Breite-Tiefe-Länge-Verhältnis des Balkens beträgt 9,3 : 4,7 : 2,8 als Beispiele von Strukturen dieser Art.1 zeigt auch die Einzelheiten der Biegeprüfung, insbesondere Spanne und Laderadius (C & D).1 Figure 3 shows beams (A & B) molded from a flat composite sheet according to embodiments of the invention and from comparative material which were then overmoulded with short fiber filled resin and the mechanical properties (flexure test bed) tests described in Example 1 from a laminate board of a composite according to the invention over a comparison composite (C & D). Also shown is the specific geometry of the a composite produced according to the invention beams (E & F & G). The generic beam structure has a length of 730 mm (B), a top rib thickness of 2 mm, a width of 140 mm (B), a laminate cup thickness of 1.5 mm, which is encapsulated with 1.5 mm encapsulated polymer (G), with a height of 15 mm, 30 mm and 50 mm in the different steps (F). The width-depth-length ratio of the beam is 9.3: 4.7: 2.8 as examples of structures of this type.1 also shows the details of the bending test, in particular span and loader radius (C & D). -
2 zeigt das Vergleichsverfahren mit Vorkonsolidierungsschritt, das für die Vergleichsbeispiele C1 und C2 verwendet worden ist. A: Vorsehen eines UD-Bandes, wie hergestellt; B: Diagonale Anordnung und Punktschweißung des UD-Bandes; C: Vorkonsolidierungsprozess der diagonal angeordneten Bänder; D: Vorkonsolidiertes, diagonal angeordnetes UD-Band; E: Gestanztes, diagonal angeordnetes UD-Band; F: Umspritztes, gestanztes, diagonal angeordnetes UD-Band.2 shows the comparative method with preconsolidation step used for Comparative Examples C1 and C2. A: Provide a UD tape as manufactured; B: Diagonal arrangement and spot welding of UD tape; C: preconsolidation process of the diagonally arranged bands; D: preconsolidated, diagonally arranged UD band; E: punched, diagonally arranged UD band; F: Overmoulded, stamped, diagonally arranged UD band. -
3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, das für die Beispiele ohne Vorkonsolidierungsschritt verwendet worden ist. A: Vorsehen eines UD-Bandes, wie hergestellt; B: Diagonale Anordnung und Punktschweißung des UD-Bandes; C: Gestanztes, diagonal angeordnetes UD-Band; D: Umspritztes, gestanztes, diagonal angeordnetes UD-Band.3 shows the process according to the invention used for the examples without Vorkonsolidierungsschritt. A: Provide a UD tape as manufactured; B: Diagonal arrangement and spot welding of UD tape; C: punched, diagonally arranged UD band; D: Overmoulded, stamped, diagonally arranged UD band. -
4 ist eine schematische Darstellung des für die Vergleichsbeispiele C1 und C2 mit Vorkonsolidierungsschritt verwendeten Vergleichsverfahrens (A) sowie eines Beispiels der Bedingungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens (ohne Vorkonsolidierungsschritt) (B).4 Fig. 12 is a schematic representation of Comparative Method (A) used for Comparative Examples C1 and C2 with preconsolidating step, and Example of Conditions of Method of Invention (without Preconsolidating Step) (B). -
5 ist eine schematische Darstellung der beim Vergleichsverfahren zur Herstellung der Vergleichsbeispiele C1 und C2 mit Vorkonsolidierungsschritt verwendeten Bedingungen (links) sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens (ohne Vorkonsolidierungsschritt) (rechts).5 Figure 4 is a schematic representation of the conditions used in the comparative process for preparing Comparative Examples C1 and C2 with preconsolidation step (left) and the process of the invention (without preconsolidation step) (right). -
6 zeigt die bei Beispiel 1 beim Stapeln von 10 Schichten mit einer Dicke von 2 mm und einer Stapelanordnung von [0/0/90/0/0]s erreichten Ergebnisse; wobei das Vorheizungsprofil auf 300°C in (A) gezeigt wird, Temperatur des Stanzwerkzeugs = 140°C, Zeit unter Druck = 38s bei einem Druck von 40 bar. A: Vorheizungsbedingungen und Anzahl der Schritte (jeweils unter PID-Pyrometersteuerung) für B, C, D und Hohlraumgehalt B: Mikrogramm des gestanzten Verbundteils ohne Vorkonsolidierung C: Mikrogramm des vorkonsolidierten UD-Bandes ohne Stanzen D: Mikrogramm des vorkonsolidierten UD-Bandes mit Stanzen.6 shows the results achieved in Example 1 when stacking 10 layers with a thickness of 2 mm and a stacking arrangement of [0/0/90/0/0] s; the preheat profile being shown at 300 ° C in (A), die temperature = 140 ° C, time under pressure = 38s at 40 bar pressure. A: Preheating conditions and number of steps (each under PID pyrometer control) for B, C, D and void content B: Microgram of the stamped composite without preconsolidation C: Microgram of pre-consolidated UD tape without punching D: Microgram of preconsolidated UD tape with punching , -
7 zeigt die mikrographischen Ergebnisse und die bei Beispiel 1 erreichten Hohlraumgehalte, wobei diagonal angeordnetes UD-Band entweder mit oder ohne vorausgehenden Vorkonsolidierungsschritt stanzgebogen worden ist und anschließend mit einem Vergleichsharz und der erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung umspritzt worden ist, A: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes, das ohne vorherige Vorkonsolidierung stanzgebogen und anschließend mit Umspritzharz umspritzt worden ist; B: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes, das zu einer flachen Platte vorkonsolidiert und dann stanzgebogen worden ist, gefolgt durch Umspritzen mit Umspritzharz 1; C: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes, das zu einer flachen Platte vorkonsolidiert und dann stanzgebogen worden ist, gefolgt durch Umspritzen mit Umspritzharz 2; D: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes, das ohne vorherige Vorkonsolidierung stanzgebogen und anschließend mit Umspritzharz 2 umspritzt worden ist.7 Figure 4 shows the micrographic results and void contents achieved in Example 1, wherein diagonally arranged UD tape has been die-cut, either with or without a prior preconsolidation step, and then overmoulded with a comparative resin and the resin composition of the invention. A: Diagonal UD tape structure. which has been punched bent without prior Vorkonsolidierung and then overmoulded with Umspritzharz; B: structure of the diagonally arranged UD tape, which has been preconsolidated into a flat plate and then punched, followed by overmoulding withovermolding resin 1; C: structure of the diagonally arranged UD tape, which has been preconsolidated to a flat plate and then punched, followed by overmoulding withovermolding resin 2; D: Structure of the diagonally arranged UD strip, which has been punch-bent without prior preconsolidation and subsequently overmoulded withencapsulation resin 2. -
8 zeigt die mikrographischen Ergebnisse und Hohlraumgehalte, die im Beispiel 1 erreicht wurden; gezeigt wird die Gesamtstruktur, eine erste Detailvergrößerung eines Beispielabschnitts und einer zweiten Detailvergrößerung der Faseragglomerationen und lokalen harzreichen Bereiche und der Stellen, an denen sich in der Struktur Hohlräume befinden; wobei diagonal angeordnetes UD-Band entweder mit (A) oder ohne (B) vorherige Vorkonsolidierung stanzgebogen worden ist und das resultierende Stanzbiegeteil anschließend mit der erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung umspritzt worden ist; A: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes, das mit vorheriger Vorkonsolidierung stanzgebogen und dann mit Umspritzharz 2 umspritzt worden ist, wobei die flacheren und breiteren Agglomerationen von UD-Fasern mit kleineren harzreichen Bereichen und einer insgesamt stärker homogenen Mikrostruktur zu sehen sind; B: Struktur des diagonal angeordneten UD-Bandes ohne vorherige Vorkonsolidierung, das stanzgebogen und anschließend mit Umspritzharz 2 umspritzt worden ist, wobei Agglomerationen von UD-Fasern Hohlräume im Mittelpunkt der Agglomeration enthalten und die Form der Agglomeration quadratischer ist als A, und wobei die UD-Faseragglomerationen mit breiteren harzreichen Bereichen beabstandet sind als A und somit eine weniger homogene Mikrostruktur aufweisen.8th shows the micrographic results and void contents achieved in Example 1; the overall structure is shown, a first detail enlargement of an example section and a second detail enlargement of the fiber agglomerations and local resinous areas and the locations where cavities are located in the structure; wherein diagonally arranged UD tape has been punch-bent with either (A) or without (B) prior preconsolidation and the resulting stamped and bent part subsequently overmoulded with the resin composition of the present invention; A: Structure of the diagonally arranged UD strip, which has been punch-bent with prior preconsolidation and then overmoulded with encapsulatingresin 2, wherein the shallower and wider agglomerations of UD fibers with smaller resin-rich areas and an overall more homogeneous microstructure can be seen; B: Structure of the diagonally arranged UD tape without prior preconsolidation, which has been punched and subsequently overmoulded withovermolding resin 2, where agglomerations of UD fibers contain voids at the center of the agglomeration and the shape of the agglomeration is more square than A, and where the UD Fiber agglomerations are spaced with wider resinous areas than A and thus have a less homogeneous microstructure. -
9 zeigt die mikrographischen Ergebnisse und Hohlraumgehalte des UD-Bandes, das vor etwaigen anschließenden Wärmebearbeitungsschritten (und somit vor Vorkonsolidierung, Stanzen oder Umspritzen, wie sie vorliegend an anderer Stelle ausführlich beschrieben werden) durch Pultrusion hergestellt wurde, wobei die UD-Faseragglomerationen Hohlräume im Mittelpunkt der Agglomeration enthalten und die Form der Agglomeration eher quadratisch oder kreisförmig ist als flach und rechteckig wie in der8A , und wobei der Hohlraumgehalt im hergestellten Zustand über die gesamte Breite des Bandes 6 bis 8 % beträgt (ROI heißt hierbei „interessierender Bereich“).9 Figure 3 shows the micrographic results and void contents of the UD tape produced by pultrusion prior to any subsequent thermal processing steps (and thus preconsolidation, stamping or overmolding, as described in detail elsewhere herein), with the UD fiber agglomerations centering on cavities Contain agglomeration and the shape of the agglomeration is rather square or circular than flat and rectangular as in the8A , and wherein the void content in the fabricated state over the entire width of the tape is 6 to 8% (ROI is called "region of interest"). -
10 zeigt Lichtbilder der aus diagonal angeordnetem, stanzgebogenem UD-Band (mit oder ohne vorherige Vorkonsolidierung) hergestellten beispielhaften Balkenstruktur, die anschließend mit einem Umspritzharz umspritzt wurde, wobei der Balken 3-Punkt-Biegeprüfungen nach1 C undD unterzogen worden ist, wobei das Lichtbild die Fehlermöglichkeit des Balkens und des diagonal angeordneten UD-Bandes zeigt; A: Diagonal angeordnetes UD-Band, das ohne vorherige Vorkonsolidierung stanzgebogen und anschließend mit Umspritzharz 1 (OM1) umspritzt worden ist, wobei die UD-Fasern mit einem strangartigen Verhalten gebrochen sind, was den in8B gezeigten Kohlefaseragglomerationen entspricht; B: Diagonal angeordnetes UD-Band, das zu einer flachen Platte vorkonsolidiert und dann stanzgebogen worden ist, gefolgt durch Umspritzen mit dem Umspritzharz 1 (OM1), wobei das diagonal angeordnete UD-Band infolge der in8A gezeigten stärker homogenen Mikrostruktur, einen Scherbruch ohne strangartigen Bruch erlitten hat; C: Diagonal angeordnetes UD-Band, das ohne vorherige Vorkonsolidierung stanzgebogen und anschließend mit Umspritzharz 2 (OM2) umspritzt worden ist, wobei die UD-Fasern mit einem strangartigen Verhalten gebrochen sind, was den in8 B gezeigten Kohlefaseragglomerationen entspricht, und wobei die Kombination aus OM2 und unterbliebener Vorkonsolidierung ein Durchreißen der drei Lasteinleitungspunkte ermöglicht; D: Diagonal angeordnetes UD-Band, das zu einer flachen Platte vorkonsolidiert und dann stanzgebogen worden ist, gefolgt durch Umspritzen mit dem Umspritzharz 2, wobei das diagonal angeordnete UD-Band infolge der in8 A gezeigten stärker homogenen Mikrostruktur, einen Scherbruch ohne strangartigen Bruch erlitten hat.10 FIG. 12 shows photographs of the exemplary beam structure made from diagonally arranged UD punched ribbon (with or without prior preconsolidation) which was then overmoulded with a coating resin, the beam following 3-point bending tests. FIG1 C andD the light image shows the possibility of error of the bar and the diagonally arranged UD band; A: Diagonally arranged UD tape, which has been punched bent without prior preconsolidation and then overmoulded with encapsulating resin 1 (OM1), wherein the UD fibers are broken with a strand-like behavior, which leads to the in8B corresponds to carbon fiber agglomerations shown; B: Diagonal UD tape preconsolidated into a flat plate and then punched, followed by overmolding with the overmolding resin 1 (OM1), the diagonally arranged UD tape due to the in8A showed a more homogeneous microstructure, suffered a shear failure without strand-like breakage; C: Diagonally arranged UD tape, which has been punch-bent without prior preconsolidation and then overmoulded with encapsulating resin 2 (OM2), wherein the UD fibers are broken with a strand-like behavior, which results in the UD band8 B corresponds to carbon fiber agglomerations shown, and wherein the combination of OM2 and omitted Vorkonsolidierung allows tearing of the three load application points; D: Diagonally arranged UD tape, which has been preconsolidated to a flat plate and then punched, followed by overmolding with the overmolding resin 2, the diagonally arranged UD tape due to the in8 A shown more homogeneous microstructure, a shear failure without strand-like breakage has suffered.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der ErfindungDetailed description of embodiments of the invention
Im vorliegenden Sinne wird „Faser“ als makroskopisch homogener Körper mit einem hohen Verhältnis Länge/Breite über dessen Querschnittsfläche senkrecht zu dessen Länge definiert. Der Querschnitt der Faser kann eine beliebige Form aufweisen, ist aber typischerweise rund oder oval.As used herein, "fiber" is defined as a macroscopically homogeneous body having a high length / width ratio across its cross-sectional area perpendicular to its length. The cross section of the fiber may have any shape, but is typically round or oval.
Das Flächengewicht der Faserschicht bezieht sich auf das Gewicht der trockenen Faserschicht pro Flächeneinheit. Die Filamentzahl eines Faserkabels ist nützlich, um eine Kabelstärke der Kohlefaser zu definieren. Häufig vorkommende Größen sind insbesondere 12.000 (12k) Filamente pro Kabel oder 50.000 (50k) Filamente pro Kabel.The basis weight of the fibrous layer refers to the weight of the dry fibrous layer per unit area. The filament count of a fiber cable is useful to define a cable gauge of the carbon fiber. Frequently occurring sizes are in particular 12,000 (12k) filaments per cable or 50,000 (50k) filaments per cable.
Im vorliegenden Sinne ist der Begriff des mit Harz vorimprägnierten unidirektionalen Karbonbandes dem Fachmann an sich geläufig; dieses kann mit Schmelzpultrusion, Pulver- oder Filmimprägnierung, reaktiver Imprägnierung oder zahlreichen anderen Verfahren hergestellt werden. Das Harz wird über den ganzen Querschnitt des Bandes verteilt, statt eine Agglomeration oder Beschichtung auf der Außenseite der Kohlefasern zu bilden oder diese damit zu umgeben. Die in der Struktur evtl. vorhandenen Hohlräume werden dann zufällig verteilt, statt in einem bevorzugten Bereich verteilt zu werden, wo ein beabsichtigter Mangel an Harz oder Imprägnierung vorliegt.As used herein, the term resin prepreg impregnated unidirectional carbon ribbon is well known to those skilled in the art; this can be made by melt pultrusion, powder or film impregnation, reactive impregnation or many other methods. The resin is distributed over the entire cross section of the belt instead of forming or surrounding an agglomeration or coating on the outside of the carbon fibers. The voids that may be present in the structure are then randomized rather than distributed in a preferred area where there is an intentional lack of resin or impregnation.
Im vorliegenden Sinne heißt „imprägniert“, dass die Harzzusammensetzung in die Hohlräume des Fasermaterials hineinfließt. Qualität und Umfang der Imprägnierung können z.B. durch Ermitteln des Hohlraumgehalts bewertet und gemessen werden.As used herein, "impregnated" means that the resin composition flows into the voids of the fibrous material. Quality and extent of impregnation may e.g. evaluated and measured by determining the void content.
Der Hohlraumgehalt kann so gemessen werden, wie es in den Beispielen beschrieben wird.The void content can be measured as described in the examples.
Bei der Herstellung der im Rahmen der Erfindung verwendeten UD-Kohlefaser kann das Harz zur Vorimprägnierung in Form einer herkömmlichen Harzzusammensetzung wie z.B. einer PA66- oder PA66/6-Mischung (Mischverhältnis 75 : 25) auf die UD-Kohlefaser aufgetragen werden, und die Harzzusammensetzung kann mit herkömmlichen Mitteln, z.B. Pulverbeschichtung, reaktiver Thermoplastenimprägnierung, Filmlaminierung, Extrusionsbeschichtung oder einer Kombination aus zwei oder mehr davon auf die Fasermaterialien aufgetragen werden, mit der Maßgabe, dass die Harzzusammensetzung auf mindestens einen Teil der Oberfläche der Verbundstruktur aufgetragen wird. Im Falle der Extrusionsbeschichtung kann das Polymer mit einer Pultrusionsmatrize aufgetragen werden, wobei Harz auf beide Seiten des Fasermaterials aufgetragen wird und wobei Imprägnierungsstifte ggf. benutzt werden; wahlweise kann auch eine interne Konvergenzmatrize benutzt werden; alternativ kann ein einseitiger Beschichtungsträger benutzt werden, wobei geschmolzenes Harz über eine Matrize auf das Fasermaterial vorzugsweise in verteilter Form extrudiert wird, wobei das Fasermaterial auf einer gekrümmten Oberfläche getragen wird, um das Harz ins Fasermaterial hineinzutreiben. Eine runde oder abgeflachte Drahtbeschichtungsmatritze kann auch Verwendung finden. Im Falle eines Pulverbeschichtungsverfahrens wird ein mit herkömmlichen Mahlverfahren hergestelltes Polymerpulver auf die UD-Kohlefaser aufgetragen. Das Pulver kann durch Streuen, Tröpfeln, Sprühen, thermisches oder Flammspritzen, Extrudieren, Drucken oder Wirbelbettbeschichtungsverfahren auf die UD-Kohlefaser aufgetragen werden. Auf das Fasermaterial können mehrere Pulverschichten aufgetragen werden. Wahlweise kann das Pulverbeschichtungsverfahren ferner einen Schritt umfassen, der in einem Nachsintern des Pulvers am Fasermaterial besteht. Anschließend erfolgt ein Thermopressen der pulverbeschichteten Fasermaterialien mit optionaler Vorheizung der pulverbeschichteten Fasermaterialien außerhalb des mit Druck beaufschlagten Bereichs. Rheologie-Additive, Wärmestabilisatoren und schwarze Pigmentierung können als Hilfsmittel neben den zur Herstellung der UD-CF-Schicht verwendeten Thermoplasten verwendet werden. Weitere Polymere, die zur Herstellung der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten UD-CF-Schichten geeignet sind, sind insbesondere, Polypropylen, Thermoplasten, Polyphenylensulfid sowie verschiedene Nylongrade und -mischungen, wie sie nachfolgend beschrieben werden.In preparing the UD carbon fiber used in the invention, the resin for preimpregnating in the form of a conventional resin composition such as PA66 or PA66 / 6 (75:25 mixing ratio) may be applied to the UD carbon fiber, and the resin composition may be applied to the fiber materials by conventional means, eg, powder coating, reactive thermoplastic impregnation, film lamination, extrusion coating or a combination of two or more thereof, with the proviso that the resin composition is applied to at least a portion of the surface of the composite structure. In the case of extrusion coating, the polymer can be applied with a pultrusion die, with resin applied to both sides of the fiber material and using impregnation pins, if necessary; Optionally, an internal convergence matrix can also be used; alternatively, a one-sided coating carrier may be used wherein molten resin is extruded via a die onto the fibrous material, preferably in a distributed form, the fibrous material being carried on a curved surface to drive the resin into the fibrous material. A round or flattened wire coating mat can also be used. in case of a Powder coating process is applied to the UD carbon fiber produced by conventional milling process polymer powder. The powder may be applied to the UD carbon fiber by scattering, trickling, spraying, thermal or flame spraying, extrusion, printing or fluid bed coating techniques. On the fiber material more powder layers can be applied. Optionally, the powder coating process may further comprise a step consisting in post-sintering the powder to the fiber material. This is followed by a thermal pressing of the powder-coated fiber materials with optional preheating of the powder-coated fiber materials outside of the pressurized area. Rheology additives, heat stabilizers and black pigmentation can be used as adjuncts to the thermoplastics used to make the UD-CF layer. Further polymers which are suitable for the production of the UD-CF layers used in connection with the invention are, in particular, polypropylene, thermoplastics, polyphenylene sulfide and various nylon grades and mixtures, as described below.
Polyamidharze, die für die Herstellung der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten UD-CF-Schichten geeignet sind, sind Kondensationsprodukte aus mindestens einer Dicarbonsäure und mindestens einem Diamin und/oder mindestens einer Aminocarbonsäure und/oder Ringöffnungs-Polymerisierungsprodukten aus mindestens einem zyklischen Lactam. Die Polyamidharze werden dabei aus den voll aliphatischen Polyamidharzen, den teilaromatischen Polyamidharzen und Mischungen davon gewählt. Der Begriff „teilaromatisch“ beschreibt Polyamidharze, die mindestens einige aromatische Carbonsäuremonomere und aliphatische Diaminmonomere enthalten, im Gegensatz zu „voll aliphatisch“, mit dem Polyamidharze beschrieben werden, die aliphatische(s) Carbonsäuremonomer(e) und aliphatische(s) Diaminmonomer(e) umfassen.Polyamide resins useful in the preparation of the UD-CF layers used in the invention are condensation products of at least one dicarboxylic acid and at least one diamine and / or at least one aminocarboxylic acid and / or ring-opening polymerization products of at least one cyclic lactam. The polyamide resins are selected from the fully aliphatic polyamide resins, the partly aromatic polyamide resins and mixtures thereof. The term "partially aromatic" describes polyamide resins containing at least some aromatic carboxylic acid monomers and aliphatic diamine monomers as opposed to "fully aliphatic" which describes polyamide resins containing aliphatic carboxylic acid monomer (s) and aliphatic diamine monomer (s). include.
Voll aliphatische Polyamidharze werden aus aliphatischen und alizyklischen Monomeren wie z.B. Diaminen, Dicarbonsäuren, Lactamen, Aminocarbonsäuren, und deren reaktiven Äquivalenten gebildet. Eine geeignete Aminocarbonsäuren ist z.B. 11-Aminododecandisäure. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „voll aliphatisches Polyamidharz“ auf Copolymere, die aus zwei oder mehr Monomeren dieser Art und Mischungen aus mindestens zwei voll aliphatischen Polyamidharzen abgeleitet sind. Lineare, verzweigte und zyklische Monomere können dabei verwendet werden. Auch Sternpolymere können zum Einsatz kommen.Fully aliphatic polyamide resins are prepared from aliphatic and alicyclic monomers such as e.g. Diamines, dicarboxylic acids, lactams, aminocarboxylic acids, and their reactive equivalents formed. A suitable aminocarboxylic acid is e.g. 11-Aminododecandisäure. In the context of the present invention, the term "fully aliphatic polyamide resin" refers to copolymers derived from two or more monomers of this type and blends of at least two fully aliphatic polyamide resins. Linear, branched and cyclic monomers can be used. Star polymers can also be used.
Zu den Carbonsäuremonomeren, die bei der Herstellung voll aliphatischer Polyamidharze nützlich sind, gehören insbesondere aliphatische Carbonsäuren, wie z.B. Adipinsäure (C6), Pimelinsäure (C7), Korksäure (C8), Azelainsäure (C9), Sebacinsäure (C10), Dodecandisäure (C12) und Tetradecandisäure (C14), ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Zu den nützlichen Diaminen gehören u.a. solche mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, insbesondere Tetramethylendiamin, Hexamethylendiamin, Octamethylendiamin, Decamethylendiamin, 2-Methylpentamethylendiamin, 2-Ethyltetramethylendiamin, 2-Methyloctamethylendiamin; Trimethylhexamethylendiamin und/oder Mischungen davon. Als geeignete Beispiele voll aliphatischer Polyamidharze seien insbesondere genannt: PA6; PA6,6; PA4,6; PA6,10; PA6,12; PA6,14; P6,13; PA 6,15; PA6,16; PA11; PA 12; PA10; PA 9,12; PA9,13; PA9,14; PA9,15; PA6,16; PA9,36; PA10,10; PA10,12; PA10,13; PA10,14; PA12,10; PA12,12; PA12,13; PA12,14 sowie Copolymere und Mischungen davon.Carboxylic acid monomers useful in the preparation of fully aliphatic polyamide resins include, in particular, aliphatic carboxylic acids, e.g. Adipic acid (C6), pimelic acid (C7), suberic acid (C8), azelaic acid (C9), sebacic acid (C10), dodecanedioic acid (C12) and tetradecanedioic acid (C14) are, but are not limited to. Among the useful diamines include u.a. those having at least four carbon atoms, in particular tetramethylenediamine, hexamethylenediamine, octamethylenediamine, decamethylenediamine, 2-methylpentamethylenediamine, 2-ethyltetramethylenediamine, 2-methyloctamethylenediamine; Trimethylhexamethylenediamine and / or mixtures thereof. As suitable examples of fully aliphatic polyamide resins may be mentioned in particular: PA6; PA6.6; PA4,6; PA6,10; PA6,12; PA6,14; P6,13;
Teilaromatische Polyamidharze sind Homo-, Co-, Ter- oder höhere Polymere, wobei mindestens ein Teil der Säuremonomere aus mindestens einer aromatischen Carbonsäure gewählt ist. Die mindestens eine aromatische Carbonsäure kann Terephthalsäure oder Mischungen aus Terephthalsäure und mindestens einer anderen Carbonsäure sein, z.B. Isophthalsäure, substituierte Phthalsäure wie z.B. 2-Methylterephthalsäure und nicht substituierte oder substituierte Isomere von Naphthalindicarbonsäure, wobei der Carbonsäurebestandteil vorzugsweise mindestens 55 Mol % Terephthalsäure enthält (dabei bezieht sich der Molprozentanteil auf die Carbonsäuremischung). Vorzugsweise ist die mindestens eine aromatische Carbonsäure gewählt aus Terephthalsäure, Isophthalsäure und Mischungen davon; besonders bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen Carbonsäure um Mischungen aus Terephthalsäure und Isophthalsäure, wobei die Mischung vorzugsweise mindestens 55 Mol % Terephthalsäure enthält. Ferner kann die mindestens eine Carbonsäure mit mindestens einer aliphatischen Carbonsäure wie z.B. Adipinsäure; Pimelinsäure; Korksäure; Azelainsäure; Sebacinsäure und Dodecandisäure, gemischt werden; bevorzugt wird dabei Adipinsäure. Besonders bevorzugt enthält die in der mindestens einen Carbonsäuremischung des teilaromatischen Polyamidharzes enthaltene Mischung aus Terephthalsäure und Adipinsäure mindestens 25 Mol % Terephthalsäure. Teilaromatische Polyamidharze umfassen mindestens ein Diamin, das aus den Diaminen mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen gewählt werden kann, insbesondere Tetramethylendiamin, Hexamethylendiamin, Octamethylendiamin, Nonamethylendiamin, Decamethylendiamin, 2-Methylpentamethylendiamin, 2-Ethyltetramethylendiamin, 2-Methyloctamethylendiamin; Trimethylhexamethylendiamin, Bis(p-aminocyclohexyl)methan; m-Xylylendiamin; p-Xylylendiamin und/oder Mischungen davon. Als geeignete Beispiele teilaromatischer Polyamidharze seien insbesondere genannt Poly(hexamethylenterephthalamid) (Polyamid 6,T), Poly(nonamethylenterephthalamid) (Polyamid 9,T), Poly (decamethylenterephthalamid) (Polyamid 10,T), Poly(dodecamethylenterephthalamid) (Polyamid 12,T), Hexamethylenadipamid/Hexamethylenterephthalamid-Copolyamid (Polyamid 6,T/6,6), Hexamethylenterephthalamid/Hexamethylenisophthalamid (6,T/6,I), Poly(m-xylylenadipamid) (Polyamid MXD,6), Hexamethylenadipamid/Hexamethylenterephthalamid-Copolyamid (Polyamid 6,T/6,6), Hexamethylenterephthalamid/2-Methylpentamethylenterephthalamid-Copolyamid (Polyamid 6,T/D,T), Hexamethylenadipamid/Hexamethylenterephthalamid/ Hexamethylenisophthalamid-Copolyamid (Polyamid 6,6/6,T/6,1); Poly (caprolactam-hexamethylenterephthalamid) (Polyamid 6/6,T) sowie Copolymere und Mischungen davon, insbesondere PA6,T; PA6,T/6,6, PA6,T/6,I; PAMXD,6; PA6,T/D,T und Copolymere und Mischungen davon.Partially aromatic polyamide resins are homo-, co-, ter- or higher polymers, wherein at least a part of the acid monomers is selected from at least one aromatic carboxylic acid. The at least one aromatic carboxylic acid may be terephthalic acid or mixtures of terephthalic acid and at least one other carboxylic acid, for example, isophthalic acid, substituted phthalic acid such as 2-methyl terephthalic acid and unsubstituted or substituted isomers of naphthalene dicarboxylic acid, wherein the carboxylic acid component preferably contains at least 55 mole% terephthalic acid the mole percentage on the carboxylic acid mixture). Preferably, the at least one aromatic carboxylic acid is selected from terephthalic acid, isophthalic acid and mixtures thereof; The at least one carboxylic acid is particularly preferably mixtures of terephthalic acid and isophthalic acid, the mixture preferably containing at least 55 mol% of terephthalic acid. Furthermore, the at least one carboxylic acid with at least one aliphatic carboxylic acid such as adipic acid; pimelic; suberic; azelaic acid; Sebacic acid and dodecanedioic acid; Adipic acid is preferred. The mixture of terephthalic acid and adipic acid contained in the at least one carboxylic acid mixture of the partly aromatic polyamide resin particularly preferably contains at least 25 mol% of terephthalic acid. Partially aromatic polyamide resins comprise at least one diamine which can be selected from the diamines having at least 4 carbon atoms, in particular tetramethylenediamine, hexamethylenediamine, octamethylenediamine, nonamethylenediamine, decamethylenediamine, 2-methylpentamethylenediamine, 2-ethyltetramethylenediamine, 2-methyloctamethylenediamine; Trimethylhexamethylenediamine, bis (p-aminocyclohexyl) methane; m-xylylenediamine; p-xylylenediamine and / or mixtures thereof. As suitable examples of partly aromatic polyamide resins are in particular called poly (hexamethylene terephthalamide) (polyamide 6, T), poly (nonamethylene terephthalamide) (polyamide 9, T), poly (decamethylene terephthalamide) (polyamide 10, T), poly (dodecamethylene terephthalamide) (polyamide 12, T), hexamethylene adipamide / hexamethylene terephthalamide Copolyamide (polyamide 6, T / 6,6), hexamethylene terephthalamide / hexamethylene isophthalamide (6, T / 6, I), poly (m-xylylene adipamide) (polyamide MXD, 6), hexamethylene adipamide / hexamethylene terephthalamide copolyamide (polyamide 6, T / 6 , 6), hexamethylene terephthalamide / 2-methylpentamethylene terephthalamide copolyamide (polyamide 6, T / D, T), hexamethylene adipamide / hexamethylene terephthalamide / hexamethylene isophthalamide copolyamide (polyamide 6,6 / 6, T / 6.1); Poly (caprolactam-hexamethylene terephthalamide) (polyamide 6/6, T) as well as copolymers and blends thereof, in particular PA6, T; PA6, T / 6,6, PA6, T / 6, I; PAMXD, 6; PA6, T / D, T and copolymers and mixtures thereof.
Unter einem besonderen Aspekt liegt das Massenverhältnis von Faser zu Harz in dem bei der Herstellung des Stapels verwendeten UD-Band im Bereich von 50 % bis 70 % Faser mit einem anfänglichen Hohlraumgehalt vor dem Stapeln, der 2 % übersteigt. Die Herstellung der UD-Bänder zur Erreichung eines derartigen Hohlraumgehalts erfolgt üblicherweise mit bekannten Verfahren, wenn kein Vorkonsolidierungsschritt ausgeführt wird.In a particular aspect, the fiber to resin mass ratio in the UD tape used in making the stack is in the range of 50% to 70% fiber with an initial void content before stacking that exceeds 2%. The preparation of the UD tapes to achieve such a void content is usually done by known methods if no preconsolidation step is carried out.
Im vorliegenden Sine heißt „Fasermaterial“ ein Material, bei dem es sich um eine beliebige geeignete Matten-, Gewebe- oder Bahnform handelt, die dem Fachmann bekannt ist. Die zur Bildung des Fasermaterials verwendeten Fasern oder Stränge sind vernetzt (d.h. mindestens eine Faser bzw. ein Strang berührt mindestens eine andere Faser oder Strang, um ein durchgehendes Material zu bilden) oder stehen miteinander in Berührung, damit sich eine kontinuierliche Matte, ein kontinuierliches Gewebe oder eine ähnliche Struktur ergibt. Das Fasermaterial kann aus Glas- oder Kohlefasern, Mineralfasern wie z.B. Basalt, Kevlar oder Aramid, oder Mischungen davon bestehen. Mit Kohlefasern werden besonders gute Ergebnisse erzielt. Das Fasermaterial, das Kohlefasern umfasst, die in der erfindungsgemäßen Thermoplasten-Faser-Zusammensetzung verwendet werden, umfassen ausgerichtete Faserstrukturen. Als Beispiele ausgerichteter Faserstrukturen seien insbesondere genannt: unidirektionale (UD) Faserstränge, bidirektionale Stränge, multidirektionale Stränge, multiaxiale Textilien. Textilien können aus Geweben, Strickteilen, Geflechten und Kombinationen davon gewählt werden. Die ausgerichtete Faserstruktur kann ferner Elemente von Nonwoven-Strukturen (z.B. Matten, Filzen, Stoffen, Bahnen, Rohfasern) und Kombinationen davon umfassen.As used herein, "fibrous material" means a material which is any suitable mat, tissue or sheet form known to those skilled in the art. The fibers or strands used to form the fibrous material are crosslinked (ie, at least one strand contacts at least one other strand or fiber to form a continuous material), or are in contact with each other to form a continuous mat, continuous web or a similar structure. The fibrous material may be made of glass or carbon fibers, mineral fibers such as e.g. Basalt, kevlar or aramid, or mixtures thereof. Carbon fibers give particularly good results. The fibrous material comprising carbon fibers used in the thermoplastic-fiber composition of the present invention comprises oriented fibrous structures. Examples of aligned fiber structures are: unidirectional (UD) fiber strands, bidirectional strands, multidirectional strands, multiaxial textiles. Textiles can be selected from fabrics, knits, braids, and combinations thereof. The oriented fiber structure may further comprise elements of nonwoven structures (e.g., mats, felts, fabrics, webs, virgin fibers) and combinations thereof.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Stapel aus Faserschichten vor dem Umspritzen 2 bis 26 Schichten aus vorimprägniertem UD-Kohlefaser-Band, wie z.B. 2 bis 20, 2 bis 10, 2 bis 8. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Stapel aus 8 Schichten UD-Kohlefaser-Band zur Bildung eines Teils verwendet, wobei der Stapel eine Stärke von etwa 1,5 bis 1,6 mm ergibt, bei der es sich um die Materialstärke handelt, die zum Füllen des Formhohlraums dieses Teils erforderlich ist.In accordance with an advantageous embodiment, the stack of fiber layers prior to encapsulation comprises 2 to 26 layers of pre-impregnated UD carbon fiber tape, e.g. 2-20, 2-10, 2-8. In one embodiment, a stack of 8 layers of UD carbon fiber tape is used to form a part, with the stack giving a thickness of about 1.5 to 1.6 mm it is the material thickness required to fill the mold cavity of this part.
Gemäß einer Ausführungsform liegt der anfängliche Hohlraumgehalt des UD-Kohlefaserbandes vor dem Stapeln zwischen etwa 4 und 12 %, z.B. 6 bis 8 % (41).In one embodiment, the initial void content of the UD carbon fiber tape prior to stacking is between about 4 and 12%, e.g. 6 to 8% (41).
Je nach den an das Bauteil
Unter einem bestimmten Aspekt kann ein optionaler Schritt des Punktschweißens der UD-Bänder innerhalb der gestapelten Schichten
Gemäß einer weiteren konkreten Ausführungsform werden die gestapelten UD-Bandschichten
Eine Beschreibung eines Stanzbiegeprozesses
Gemäß einer konkreten Ausführungsform wird der Hohlraumgehalt der gestapelten Schichten
Alternativ können die gestapelten UD-Kohlefaserbandschichten mithilfe eines in einer Formpresse angeordneten induktiv beheizten Werkzeugs oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt werden, wobei nur die Werkzeugoberfläche erwärmt wird; so wird ermöglicht, dass Druck im geschmolzenen Zustand angewendet wird und das Werkzeug unter Aufrechterhaltung des Drucks gekühlt wird, gefolgt durch die Entnahme des geformten UD-Vorförmlings. Die gestanzte Struktur wird dann erneut erwärmt (47), bevor sie dem Umspritzschritt
Unter einem konkreten Aspekt können die erwärmten gestapelten Schichten
Unter einem konkreten Aspekt beträgt der im Kühlschritt auf die gestapelten Schichten angewandte Druck etwa 10 bis etwa 150 bar.In a concrete aspect, the pressure applied to the stacked layers in the cooling step is about 10 to about 150 bar.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform erfolgt die Überspritzung der Thermoplast-Faser-Umspritzzusammensetzung bei einer Temperatur, die den Schmelzpunkt der Zusammensetzung übersteigt, und zwar bei PA66 typischerweise bei 290 bis 300°C, die je nach der Güte des konkret eingesetzten Polyamids eingestellt wird, was zum Spritzguss von Polyamidharzen allgemein bekannt ist und durch das eingesetzte Spritzgussgerät geregelt wird, die z.B. von der Fa. Engel bereitgestellt wird, und wobei die Temperatur des Spritzgusswerkzeugs bei einer Temperatur gehalten wird, die von der Güte des jeweiligen Polymers abhängt und im Rahmen der Vorbereitung der zu formenden Komponente, z.B. bei PA66 bei 100 bis 120°C angepasst wird.According to a specific embodiment, the overmolding of the thermoplastic-fiber overmold composition takes place at a temperature which exceeds the melting point of the composition, typically at 290 to 300 ° C for PA66, which is adjusted according to the quality of the polyamide actually employed, resulting in Injection molding of polyamide resins is generally known and is regulated by the injection molding apparatus used, the example provided by the company Engel, and wherein the temperature of the injection molding tool is maintained at a temperature which depends on the quality of the respective polymer and in the preparation of the component to be molded, e.g. adjusted at PA66 at 100 to 120 ° C.
Insbesondere wird der gehärtete Verbundstoff im Falle eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Umspritzung im Anschluss an eine Aufwärmung
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Schritte der Anwendung von Wärme und Druck auf die gestapelten Schichten (Schritt (iii)) und der Überspritzung der erfindungsgemäßen Thermoplasten-Faser-Zusammensetzung auf die gewärmten gestapelten Schichten Teil eines einzelnen thermischen Ausformungsschritts, bei dem das Harz aus den UD-Kohlefaserschichten durch die ganzen gestapelten Schichten hindurch (z.B. in einem Ofen unmittelbar innerhalb eines Umspritzwerkzeugs) geschmolzen wird und die geschmolzene erfindungsgemäße Thermoplasten-Faser-Zusammensetzung auf die geheizten gestapelten Schichten überspritzt wird: Die geheizten UD-Kohlefaserbandschichten werden durch den Druck des Umspritzharzes zusammengepresst, während diese unmittelbar auf die Stanze gespritzt wird, wodurch mehrere Heizphasen und die Kosten der damit verbundenen Ausrüstungen und im Einzelnen ein Stanzbiegeschritt
Um einen einzelnen thermischen Ausformungsschritt so zu erreichen, wie er oben beschrieben wurde, kann der Wärmebehandlungsschritt unter einem alternativen Aspekt durch Vorheizen der gestapelten UD-Kohlefaserbandschichten in einem Ofen oberhalb des Schmelzpunktes wobei parallel dazu ein Extruder verwendet wird, um die trockenen Faser- und Matrixharzbestandteile der erfindungsgemäßen Harz-Faser-Umspritzzusammensetzung oder Pellets aus vorgemischten Faser- und Harzbestandteile der erfindungsgemäßen Harz-Faser-Umspritzzusammensetzung zu mischen, die dann mithilfe einer Matrize in eine Schmelzmasse oder -ladung extrudiert werden. Die geschmolzene Masse wird dann mit den gestapelten UD-Kohlefaserbandschichten vorzugsweise von einem Roboter in ein stählernes Formwerkzeug befördert, das in einer vertikal wirkenden Hydraulikpresse montiert ist, z.B. die bekannte Ausrüstung der Fa. Dieffenbacher, bei der die gestapelten UD-Kohlefaserbandschichten zusammengepresst werden und die Umspritzung der UD erfolgt (48b) und das Teil unter Druck gekühlt wird (45b). In an alternative aspect, to achieve a single thermal forming step as described above, the heat treating step may be by pre-heating the stacked UD carbon fiber ribbon layers in a furnace above the melting point using an extruder in parallel to form the dry fiber and matrix resin components the resin-fiber overmolding composition or pellets of premixed fiber and resin components according to the invention of the resin-fiber overmolding composition according to the invention, which are then extruded by means of a die into a melt or charge. The molten mass is then transported with the stacked UD-carbon fiber tape layers preferably by a robot in a steel mold, which is mounted in a vertical hydraulic press, such as the known equipment of the Fa. Dieffenbacher, in which the stacked UD carbon fiber tape layers are pressed together and the The UD is overmolded (48b) and the part is cooled under pressure (45b).
Gemäß einer konkreten Ausführungsform wird der Hohlraumgehalt der gestapelten Schichten
Unter einem weiteren konkreten Aspekt wird bei der Vorbereitung der erfindungsgemäßen Verbundstruktur der Umspritzschritt in einem Zeitraum ausgeführt, der eine Funktion der Stärke des Umspritzharzes ist, und zwar typischerweise in einem Zeitraum von weniger als 2 Minuten.In a further specific aspect, in preparing the composite structure of the present invention, the overmolding step is carried out in a period of time that is a function of the thickness of the overmolding resin, typically in a period of less than 2 minutes.
Unter einem weiteren konkreten Aspekt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Umspritzschritt in einem Zeitraum von weniger als 2 Minuten bei Werkzeugtemperaturen von etwa 120 bis etwa 160 °C und Drücken von mehr als zwischen etwa 200 und 1000 bar ausgeführt.In a further specific aspect, in the method according to the invention the overmolding step is carried out in a period of less than 2 minutes at mold temperatures of about 120 to about 160 ° C and pressures of more than between about 200 and 1000 bar.
Unter einem konkreten Aspekt werden die umspritzten gestapelten Schichten (45b und 45a2) unter Druck gekühlt, um die Verbundstruktur zu härten, wobei eine Kühlzeit in der Form typischerweise 7 - 10 s/mm Umspritzdicke und vorzugsweise weniger als 1 Minute Zykluszeit zur Verwendung bei der Massenfertigung, wobei die Temperatur des Formwerkzeugs 100°C bis etwa 160 °C, z.B. zwischen 100 und 120 °C, sowie Einspritzdrücke von 500 bar zur entsprechenden Verpackung der Nylonmaterialien bekanntlich erforderlich sind.Concretely, the over-molded stacked layers (45b and 45a2) are cooled under pressure to cure the composite structure, with a cooling time in the mold typically of 7 - 10 s / mm overmold thickness and preferably less than 1 minute cycle time for use in mass production wherein the temperature of the mold is 100 ° C to about 160 ° C, eg between 100 and 120 ° C, and injection pressures of 500 bar for the corresponding packaging of the nylon materials are known to be required.
Unter einem Aspekt können die UD-Schichten der Verbundstruktur als Material verwendet werden, das den größten Teil der Komponente abdeckt, um insgesamt eine Versteifung zu erzielen, oder zur Verwendung als Streifen oder lokale Aufnäher, wenn eine Versteifung nur in lokalen Bereichen erforderlich ist.In one aspect, the UD layers of the composite structure may be used as a material covering most of the component to provide overall stiffening, or for use as streaks or local patches where stiffening is required only in local areas.
Unter noch einem weiteren konkreten Aspekt wird eine Verbundstruktur bereitgestellt, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.In yet another specific aspect, a composite structure is provided which can be produced by a method according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verbundstruktur eine Mehrzahl UD-Kohlefaserbandschichten umfassen.According to one embodiment, the composite structure may comprise a plurality of UD carbon fiber ribbon layers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Verbundstruktur 2 bis 26 Schichten, wie z.B. 2 bis 20, 2 bis 10, 2 bis 8, UD-Kohlefaserband umfassen.According to an advantageous embodiment, the composite structure may have 2 to 26 layers, e.g. 2 to 20, 2 to 10, 2 to 8, UD carbon fiber tape.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Verbundstruktur zwischen 4 und 8 UD-Kohlefaserbandschichten umfassen.According to an advantageous embodiment, the composite structure may comprise between 4 and 8 UD carbon fiber ribbon layers.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße Verbundstruktur ein Verhältnis Harz/UD-Kohlefaser im Bereich von 0,3 bis 0,5 Gew. % auf.According to one embodiment, a composite structure according to the invention has a resin / UD carbon fiber ratio in the range of 0.3 to 0.5% by weight.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße Verbundstruktur bereitgestellt, wobei die umspritzte Thermoplast-Faser-Zusammensetzung mittels Injektion umspritzt wird.According to one embodiment, a composite structure according to the invention is provided, wherein the overmolded thermoplastic-fiber composition is injection-molded over.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Verbundstruktur nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Harzzusammensetzung einen Schmelzpunkt aufweist, der zwischen etwa 220 und 280 °C, insbesondere 250 - 275 °C liegt.According to another embodiment, a composite structure according to the preceding claim, wherein the resin composition has a melting point of between about 220 and 280 ° C, in particular 250 - 275 ° C.
Gemäß einer Ausführungsform weist jede imprägnierte UD-Kohlefaserbandschicht bei einem erfindungsgemäßen Verbundstoff, bzw. die in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, ein Flächengewicht auf, das 100 g/m2 übersteigt und 1000 g/m2 unterschreitet, insbesondere zwischen 200 und 500 g/m2.According to one embodiment, each impregnated UD carbon fiber ribbon layer in a composite material according to the invention or used in a method according to the invention has a basis weight which exceeds 100 g / m 2 and falls below 1000 g / m 2 , in particular between 200 and 500 g / m 2 .
Unter einem weiteren konkreten Aspekt unterscheidet sich die erfindungsgemäße Harzzusammensetzung, die beim UD-Band verwendet wird (Tabelle 1), vom Umspritzharz, und ist derart gewählt, dass sie bei 290 °C eine Schmelzviskosität zwischen 10 Pa.s und 300 Pa.s, vorzugsweise 10 bis 75 Pa.s bei 290 °C und im Scherratenbereich von 40 bis 5000 reziproken Sekunden aufweist, die auch auf Scherraten von 10 - 40 reziproken Sekunden anwendbar ist. Die Rheologie der Mischungen wurde mit einem Kayeness-Kapillarrheometer der Fa. Dynisco gemessen. Trockene Pellets aus den Proben wurden im Rheometerfaß bei der Versuchstemperatur geschmolzen. Als Kapillar wurde eine Matrize von 0,762 mm Durchmesser, 15,24 mm Länge verwendet. Die Geschwindigkeit des Kolbens, der die Kapillarströmung antrieb, wurde während der Messung variiert, und ein Kraftaufnehmer wurde zur Berechnung der scheinbaren Schmelzviskosität als Funktion der Scherrate herangezogen. In another specific aspect, the resin composition of the present invention used in the UD tape (Table 1) differs from the overmolding resin, and is selected to have a melt viscosity of between 10 Pa.s and 300 Pa.s at 290 ° C. preferably 10 to 75 Pa.s at 290 ° C and in the shear rate range of 40 to 5000 reciprocal seconds, which is also applicable to shear rates of 10 - 40 reciprocal seconds. The rheology of the mixtures was measured using a Kayeness capillary rheometer from Dynisco. Dry pellets from the samples were melted in the rheometer barrel at the test temperature. The capillary used was a die of 0.762 mm diameter, 15.24 mm in length. The velocity of the piston driving the capillary flow was varied during the measurement, and a force transducer was used to calculate apparent melt viscosity as a function of shear rate.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Thermoplasten-Umspritzzusammensetzung zwischen 25 Gew. % und 70 Gew. % (typischerweise zwischen 35 und 70 % oder zwischen 30 und 60 %, z.B. 30 bis 50 Gew. % oder 30 bis 45 Gew. %) eine Mischung aus den Polyamidharzen PA 66/PA6, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen den beiden Polyamiden zwischen 40 Gew. % und 100 Gew. % bezogen auf PA66 liegt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Thermoplasten-Umspritzzusammensetzung 42 % eine Mischung aus den Polyamidharzen PA66/PA6 (60:40).According to one embodiment of the invention, the thermoplastic overmolding composition according to the invention comprises between 25% by weight and 70% by weight (typically between 35 and 70% or between 30 and 60%, eg 30 to 50% by weight or 30 to 45% by weight) a mixture of the polyamide resins PA 66 / PA6, wherein the weight ratio between the two polyamides between 40 wt.% And 100 wt.% Based on PA66. According to another embodiment, the thermoplastic overmolding composition according to the invention comprises 42% of a mixture of the polyamide resins PA66 / PA6 (60:40).
Gemäß einer konkreten Ausführungsform handelt es sich bei der thermoplastischen Umspritzzusammensetzung um eine Harzzusammensetzung, die eine Zusammensetzung nach der Tabelle 2 umfasst.In a specific embodiment, the thermoplastic overmolding composition is a resin composition comprising a composition according to Table 2.
Das bei der Zusammensetzung der thermoplastischen Umspritzharzzusammensetzung verwendete Fasermaterial ist vorzugsweise diskontinuierlich, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das verwendete Glas- und/oder Kohlefasermaterial jedoch auch ein Woven- oder Nonwoven-Material sein.The fibrous material used in the composition of the thermoplastic overmolding resin composition is preferably discontinuous, however, according to some embodiments of the invention, the glass and / or carbon fiber material used may also be a woven or nonwoven material.
Die beim Umspritzschritt vorgesehene Menge an thermoplastischem Umspritzharz kann vorteilhafterweise für das ganze Teil, oder je nach Teilbereich, wenn unterschiedliche Teilbereiche Umspritzharz in unterschiedlichen Mengen oder Dicken an oder um das UD-Band aufweisen, z.B. zwischen keinem lokal aufgetragenen Umspritzharz und einer schweren, dicken Umspritzharzschicht auf beiden Seiten des UD-Bandes, so dass im jeweiligen Bereich der Verbundstruktur oder über das ganze Teil das Umspritzharz ein Gewichtsverhältnis zum Gesamtgewicht des Bauteils (UD-Karbonband plus Umspritzharz) zwischen 0 % (wenn die Umspritzharzzusammensetzung nur auf Teilbereiche aufgetragen wird) und 100 % (wenn ein lokales Umspritzmerkmal völlig aus Umspritzharz besteht und kein UD-Karbonband in dem Teilbereich des Teils vorhanden ist, wo keine Verstärkung mit UD-Band erforderlich ist) aufweist.The amount of thermoplastic coating resin provided in the injection-molding step may advantageously be for the whole part, or depending on the partial area, if different partial areas comprise encapsulating resin in different amounts or thicknesses on or around the UD band, e.g. between no locally applied extrusion coating resin and a heavy, thick coating resin layer on both sides of the UD tape, so that in the respective region of the composite structure or over the entire part the coating resin a weight ratio to the total weight of the component (UD carbon tape plus extrusion resin) between 0% ( when the overmolding resin composition is applied only to partial areas) and 100% (when a local overmolding feature is entirely made of overmolding resin and no UD carbon tape is present in the portion of the part where UD tape reinforcement is not required).
Gemäß einer konkreten Ausführungsform beträgt das durchschnittliche bauteilbezogene Gewichtsverhältnis der Verbundstruktur zum Umspritzharz 20 - 80 %. Bei der beispielhaften Balkenstruktur liegt das Massenverhältnis Umspritzharz/Verbundstruktur zwischen 2 : 1 und 2,6 : 1, was eine Funktion des Hohlraums des Umspritzwerkzeugs in Bezug auf die Stärke der UD-Band-Verbundstruktur darstellt.According to one specific embodiment, the average component-related weight ratio of the composite structure to the extrusion resin is 20-80%. In the exemplary beam structure, the overmolding resin / composite structure mass ratio is between 2: 1 and 2.6: 1, which is a function of the cavity of the overmold tool relative to the strength of the UD-band composite structure.
Die in der erfindungsgemäßen Thermoplasten-Umspritzzusammensetzung vorgesehene Menge an Fasermaterial aus Glasfasern ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Massenanteil des Glases am gesamten Massenanteil beim umspritzen Polymer zwischen 25 und 70 % liegt, und vorzugsweise zwischen 25 und 40 Gew. %, wobei eine weitere konkrete Ausführungsform der Tabelle 2 zu entnehmen ist.The amount of fibrous material of glass fibers provided in the thermoplastic encapsulation composition according to the invention is preferably selected such that the mass fraction of the glass in the total mass fraction in the encapsulating polymer is between 25 and 70%, and preferably between 25 and 40% by weight, with a further concrete Embodiment of Table 2 is shown.
Gemäß einer Ausführungsform ist der in der erfindungsgemäßen Thermoplasten-Umspritzzusammensetzung vorgesehene Kohlefasergehalt vorzugsweise derart gewählt, dass der Massenanteil der Kohlefasern am gesamten Massenanteil beim umspritzen Polymer zwischen 10 und 70% liegt, und vorzugsweise zwischen 10 und 25 Gew. %, wobei eine weitere konkrete Ausführungsform der Tabelle 2 zu entnehmen ist.According to one embodiment, the carbon fiber content provided in the thermoplastic overmolding composition according to the invention is preferably chosen such that the mass fraction of the carbon fibers in the total mass fraction of the overmolding polymer is between 10 and 70%, and preferably between 10 and 25% by weight, whereby a further concrete embodiment Table 2 is shown.
Die Polyamidharzzusammensetzung kann ferner mindestens ein gebräuchliches Additiv umfassen, insbesondere, ohne darauf beschränkt zu sein, UV-Lichtstabilisatoren, Flammschutzmittel, Rieselhilfsmittel, Gleitmittel, Antistatika, Farbstoffe (insbesondere Farbstoffe, Pigmente, Ruß u. dgl.), Nukleierungsmittel, Kristallisationsförderer und weitere Verarbeitungshilfsstoffe und Mischungen davon, die auf dem Gebiet der Polymermischung bekannt sind.The polyamide resin composition may further comprise at least one common additive, particularly, but not limited to, UV light stabilizers, flame retardants, anti-caking agents, lubricants, antistatic agents, dyes (especially dyes, pigments, carbon black, etc.), nucleating agents, crystallization promoters, and other processing aids and mixtures thereof known in the polymer blend art.
Füllstoffe, Modifikatoren und sonstige oben beschriebene Inhaltsstoffe können in den bekannten Mengen und Formen vorliegen, insbesondere in Form sog. Nanomaterialien, bei denen mindestens eine der Dimensionen der Partikel im Bereich von 1 bis 1000 nm liegt.Fillers, modifiers and other ingredients described above may be in the known amounts and forms, especially in the form of so-called nanomaterials, where at least one of the dimensions of the particles is in the range of 1 to 1000 nm.
Vorzugsweise werden etwaige Additive, die in der Polyamidharzzusammensetzung Verwendung finden, im Polyamidharz gründlich dispergiert. Zum Kombinieren der erfindungsgemäßen Polyamidharze und Additive kann ein beliebiges Schmelzemischverfahren verwendet werden. Die Polyamidharze und Additive können z.B. in einen Schmelzemischer, z.B. einen Ein- oder Doppelschneckenextruder, einen Mixer, eine Ein- oder Doppelschneckenknetmaschine oder einen Banbury-Mischer entweder alle auf einmal in einem einzigen Schritt oder schrittweise gegeben und anschließend dem Schmelzemischvorgang unterzogen werden. Bei der schrittweisen Zugabe der Polyamidharze und weiteren Additive wird ein Teil des Polyamidharzes und/oder der Additive zunächst hinzugegeben und dem Schmelzemischverfahren unterzogen, wobei die übrigen Polyamidharze und Additive anschließend hinzugegeben und weiter dem Schmelzemischverfahren unterzogen werden, bis sich eine gründlich gemischte oder homogene Zusammensetzung ergibt. Preferably, any additives used in the polyamide resin composition are thoroughly dispersed in the polyamide resin. For combining the polyamide resins and additives of the present invention, any melt mixing method can be used. For example, the polyamide resins and additives may be added to a melt mixer, eg, a single or twin screw extruder, a blender, a single or twin screw kneader, or a Banbury mixer, all at once in a single step or stepwise, followed by melt blending. In the stepwise addition of the polyamide resins and other additives, a portion of the polyamide resin and / or additives is first added and subjected to the melt blending process, with the remaining polyamide resins and additives subsequently added and further melt blended to yield a thoroughly blended or homogeneous composition ,
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Thermoplasten-Faser-Umspritzzusammensetzung: Ein Glasfasermaterial, ein Kohlefasermaterial und ein Polyamidharz.According to another embodiment, the thermoplastic-fiber overmolding composition of the present invention comprises: a glass fiber material, a carbon fiber material, and a polyamide resin.
Unter einem bestimmten Aspekt umfasst die erfindungsgemäße Thermoplasten-Faser-Umspritzzusammensetzung ferner ein Mittel zur Verbesserung der Viskosität und Benetzbarkeit wie z.B. Dodecandisäure (DDDA). Gemäß einer konkreten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Harzzusammensetzung etwa 0,3 bis 2 % DDDA (z.B. 0,5 bis etwa 1,8 %).In a particular aspect, the thermoplastic-fiber overmolding composition of the present invention further comprises an agent for improving the viscosity and wettability, e.g. Dodecanedioic acid (DDDA). According to one specific embodiment, the resin composition of the invention comprises about 0.3 to 2% DDDA (e.g., 0.5 to about 1.8%).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Viskositäts- und Benetzbarkeits-Verbesserer aus Lysin, Alanin, Pentaerythrit und H2O gewählt werden.According to another embodiment, a viscosity and wettability improver of lysine, alanine, pentaerythritol and H 2 O may be chosen.
Unter einem konkreten Aspekt umfasst die erfindungsgemäße Thermoplasten-Faser-Umspritzzusammensetzung ferner einen Zähigkeitsvermittler zur Erhöhung der Duktilität der erfindungsgemäßen thermoplastischen Umspritzzusammensetzung. Gemäß einer konkreten Ausführungsformen umfasst ein Zähigkeitsvermittler Ethylen/Propylen/Hexadien-Terpolymer, aufgepfropft mit zwischen 5 % und 0,1 % Maleinsäureanhydrid, z.B. zwischen 4 und 0,5 % oder zwischen 3 und 1 %, z.B. zwischen 3 und 4 %, wie z.B. 2,1 %.In a specific aspect, the thermoplastic-fiber overmolding composition according to the invention further comprises a toughening agent for increasing the ductility of the thermoplastic overmolding composition according to the invention. According to one specific embodiment, a toughener comprises ethylene / propylene / hexadiene terpolymer grafted with between 5% and 0.1% maleic anhydride, e.g. between 4 and 0.5% or between 3 and 1%, e.g. between 3 and 4%, e.g. 2.1%.
Unter einem weiteren Aspekt können polymere Zähigkeitsvermittler auch umfassen: (a) ein Copolymer aus Ethylen, Glycidyl(meth)acrylat und wahlweise mindestens einen (Meth-) Acrylatester, (b) ein Ethylen/a-Olefin oder Ethylen/a-Olefin/Dien- (EPDM) Copolymer, aufgepfropft mit einem ungesättigten Carbonsäureanhydrid wie z.B. Maleinsäureanhydrid. Typ Fusabond/TRX, (c) ein Copolymer aus Ethylen, 2-Isocyanatoethyl(meth)acrylat und wahlweise mindestens einem (Meth-)Acrylatester, (d) ein Copolymer aus Ethylen und Acrylsäure, umgesetzt mit einer Zn-, Li-, Mg- oder Mn-Verbindung, um das entsprechende Ionomer zu bilden.In a further aspect, polymeric tougheners may also comprise: (a) a copolymer of ethylene, glycidyl (meth) acrylate and optionally at least one (meth) acrylate ester, (b) an ethylene / alpha-olefin or ethylene / alpha-olefin / diene - (EPDM) copolymer, grafted with an unsaturated carboxylic anhydride such as Maleic anhydride. Type Fusabond / TRX, (c) a copolymer of ethylene, 2-isocyanatoethyl (meth) acrylate and optionally at least one (meth) acrylate ester, (d) a copolymer of ethylene and acrylic acid reacted with a Zn, Li, Mg or Mn compound to form the corresponding ionomer.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform umfasst ein Schlagzähmodifizierer ein Ethylenalpha-Olefin-Copolymer, enthalten etwa 95 - 50 Gew. % polymerisiertes Ethylen und etwa 5 bis 50 Gew. % mindestens eines polymerisierten alpha-Olefins, das 3 bis etwa 20 Kohlenstoffatome enthält.In one specific embodiment, an impact modifier comprises an ethylene alpha olefin copolymer containing about 95-50 wt% polymerized ethylene and about 5 to 50 wt% of at least one polymerized alpha olefin containing from 3 to about 20 carbon atoms.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform umfasst der Schlagzähmodifizierer ferner ein Copolymer aus Ethylen, Propylen und einem Dien, aufgepfropft (oder copolymerisiert) mit 0,1 bis 3 Gew. % einer Dicarbonsäure.According to one specific embodiment, the impact modifier further comprises a copolymer of ethylene, propylene and a diene grafted (or copolymerized) with from 0.1 to 3% by weight of a dicarboxylic acid.
Unter einem konkreten Aspekt liegt der Glasfasergehalt bei der erfindungsgemäßen Umspritz-Harzzusammensetzung zwischen 25 und 70 Gew. %, vorzugsweise zwischen 25 und 40 Gew. %, z.B. 30 Gew. %.In a concrete aspect, the glass fiber content in the overmolding resin composition of the invention is between 25 and 70% by weight, preferably between 25 and 40% by weight, e.g. 30% by weight.
Unter einem konkreten Aspekt liegt der Kohlefasermaterialgehalt bei der erfindungsgemäßen Thermoplasten-Faser-Umspritzzusammensetzung zwischen 10 % und 70 Gew. %, vorzugsweise zwischen 10 und 25 Gew. %, z.B. 15 Gew. %.In a specific aspect, the carbon fiber material content in the thermoplastic-fiber overmolding composition of the invention is between 10% and 70% by weight, preferably between 10 and 25% by weight, e.g. 15% by weight.
Unter einem konkreten Aspekt wird eine Thermoplast-Faser-Zusammensetzung bereitgestellt, umfassend 25 bis 70 Gew. % einer Mischung aus PA66/PA6, 0,3 bis 2 Gew. % Viskositäts- und Benetzbarkeits-Verbesserer, 1 bis 10 Gew. % Schlagzähmodifizierer, 1 bis 5 % Zähigkeitsvermittler, 25 bis 70 Gew. % Glasfasern und 10 bis 70 Gew. % Kohlefasern.In a specific aspect there is provided a thermoplastic fiber composition comprising from 25 to 70% by weight of a blend of PA66 / PA6, from 0.3 to 2% by weight viscosity and wettability improver, from 1 to 10% by weight impact modifier, 1 to 5% toughener, 25 to 70% by weight of glass fibers and 10 to 70% by weight of carbon fibers.
Die erfindungsgemäße Harzzusammensetzung kann auf gestapelte UD-Kohlefaserbänder in Form einer Schmelze oder einer Folie aufgetragen werden, die mit bekannten herkömmlichen Extrusionsverfahren wie z.B. Blasfolienextrusion, Gießfolienextrusion und Gießplattenextrusion hergestellt worden sind, auf mindestens eine Schicht aus den Fasermaterialien, z.B. durch Beschichtung aufgetragen werden.The resin composition of the present invention may be applied to stacked UD carbon fiber ribbons in the form of a melt or film made by known conventional extrusion techniques, e.g. Blown film extrusion, cast film extrusion, and cast sheet extrusion, onto at least one layer of the fiber materials, e.g. be applied by coating.
Unter einem konkreten Aspekt der Erfindung weist die erfindungsgemäße thermoplastische Umspritzzusammensetzung vorteilhafte Eigenschaften auf, unter anderem:
- - Eine deutlich reduzierte Viskosität gegenüber vergleichbaren gehärteten Umspritzharzen (z.B. Zytel 75CG45) unter Spritzgussbedingungen, was ein ausgezeichnetes Fließ- und Werkzeugfüllverhalten ergibt;
- - Eine mit nicht gehärteten Umspritzharzen vergleichbare Viskosität unter Spritzgussbedingungen, was ein mit herkömmlichen Harzen vergleichbares Füllverhalten ergibt;
- - Gute Benetzbarkeit am Verbundstoff beim Spritzgussverfahren infolge der modifizierten Viskosität;
- - Hohe Steifheit, Festigkeit und Duktilität des umspritzen Verbundstoffs gegenüber anderen Harzen (niedrige Steifheit).
- A significantly reduced viscosity compared to comparable cured overmolding resins (eg Zytel 75CG45) under injection molding conditions, resulting in excellent flow and tooling performance;
- A viscosity comparable to non-cured overmolding resins under injection molding conditions, giving a filling behavior comparable to conventional resins;
- Good wettability on the composite in the injection molding process due to the modified viscosity;
- High stiffness, strength and ductility of the overmolding composite over other resins (low stiffness).
Gemäß einer konkreten Ausführungsform handelt es sich bei dem aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten Artikel um einen Balken.According to a specific embodiment, the article produced from the composition according to the invention is a bar.
Gemäß einer weiteren konkreten Ausführungsform handelt es sich bei dem Artikel um ein Bauteil, das eine Armierungsschicht aus dem erfindungsgemäßen Verbundstoff umfasst.According to another specific embodiment, the article is a component comprising a reinforcing layer of the composite according to the invention.
Je nach Endverwendung kann die Verbundstruktur zu einer gewünschten Geometrie oder Konfiguration geformt werden.Depending on the end use, the composite structure may be formed into a desired geometry or configuration.
Ein Verfahren zum Formen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur umfasst einen Schritt des Formens der Verbundstruktur nach der Herstellung und ggf. Vorkonsolidierung der diagonalen UD-Bandlage
Die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen sind gekennzeichnet durch sehr hohe richtungsabhängige Eigenschaften in UD-Kohlefaserrichtung (höher z.B. als ein biaxial ausgeglichenes Kohlefaser-Köpergewebe), während in Querrichtung die Eigenschaften der UD weitaus niedriger sind, was bei einer Schichtung der UD-Kohlefaserbänder im UD-Stapel vorteilhaft macht, um geeignete Eigenschaften für eine Anwendung mit einer Mischung aus Eigenschaften in Normal- und Querrichtung zu erreichen. Derartige Schichtstrukturen können Kombinationen aus Schichten bei 0°, 90 ° und dazwischen liegenden Winkeln wie z.B. 45 °, 60 ° oder 80 ° oder einem anderen Winkel zwischen 0 und 90 °; um den Verzug bei diesen Strukturen ist es wünschenswert, dass der Laminatstapel um die neutrale Achse sowohl ausgeglichen als auch symmetrisch ist. Bei einer 2 mm Struktur aus Band mit 0,18 - 0,2 mm Dicke seien als Beispiele genannt: Ein UD -Stapel [0]10, quasiisotroper Stapel [0/90/±45/0]s, ein direktionaler Stapel [0/0/90/0/0]s; als weitere Beispiele seien bei einem 1,5 mm dicken Stapel aus 8 Lagen von 0,18 - 0,2 mm Dicke wie bei der beispielhaften Balkenstruktur seien genannt: [90/0/0/0]s , [45/0/-45/0]s , [90/0/90/0]s und [90/45/0/-45]s.The composite structures according to the invention are characterized by very high directional properties in UD carbon fiber direction (higher than, for example, a biaxially balanced carbon fiber twill weave), while in the transverse direction the properties of the UD are much lower, which is advantageous when layering the UD carbon fiber tapes in the UD stack in order to achieve suitable properties for an application with a mixture of properties in normal and transverse directions. Such layer structures may include combinations of layers at 0 °, 90 ° and intermediate angles such as 45 °, 60 ° or 80 ° or at another angle between 0 and 90 °; in order to avoid distortion in these structures, it is desirable that the laminate stack be both balanced and symmetrical about the neutral axis. Examples of examples of a 2 mm strip structure with a thickness of 0.18-0.2 mm include: a UD stack [0] 10 , quasi-isotropic stack [0/90 / ± 45/0] s, a directional stack [0 / 0/90/0/0] s; as further examples may be mentioned in a 1.5 mm thick stack of 8 layers of 0.18-0.2 mm thickness as in the exemplary beam structure: [90/0/0/0] s, [45/0 / -] 45/0] s, [90/0/90/0] s and [90/45/0 / -45] s.
Jedenfalls ist es wünschenswert, dass der Hohlraumgehalt des gestapelten UD-Bandes (42) bei der Eingliederung ins schlussendliche umspritze Bauteil durch verschiedene zwischengeschaltete Verfahren, wie oben beschrieben, 2 % übersteigt, typischerweise 4 bis 12 % oder etwa 6 bis 8 %.In any event, it is desirable that the void content of the stacked UD tape (42) upon incorporation into the final overmold component exceed 2% by various intermediate processes as described above, typically 4 to 12% or about 6 to 8%.
Werden Platten aus diesen Verbundstrukturen in ein Balkenteil geformt, das für eine Mehrzahl Kfz-, Verbraucherelektronik-, industrieller oder sonstiger Komponenten dieser Art repräsentativ ist, treten die Vorteile deutlich zum Vorschein, wie in den nachfolgenden Beispielen aufgezeigt.Forming panels of these composite structures into a beam portion representative of a variety of automotive, consumer electronics, industrial or other components of this type clearly demonstrates the advantages as demonstrated in the examples below.
Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen in zahlreichen Anwendungen verwendet werden, z.B. Komponenten für Kfz, Lkw, gewerbliche Flugzeuge, Raumfahrt, Schienenverkehr, Haushaltsgeräte, Computer-Hardware, tragbare Elektronik, Freizeit- und Sportausrüstungen, Bauteile für Maschinen, Gebäude, Photovoltaik oder mechanische Vorrichtungen.Because of their advantageous properties, the composite structures according to the invention can be used in numerous applications, e.g. Components for automobiles, trucks, commercial aircraft, aerospace, rail, home appliances, computer hardware, portable electronics, recreational and sports equipment, machine components, buildings, photovoltaic or mechanical devices.
Als Beispiele von Kfz-Anwendungen seien insbesondere genannt: Sitzkomponenten und -rahmen, Motorhaubenhalterungen, Motorträger, Aufhängungsarme und -träger, Reserveradmulden, Chassisverstärkungen, Bodenbleche, Frontmodule, Lenksäulenrahmen, Armaturenbrette, Türsysteme, Karosserieteile (z.B. horizontale Karosserieteile und Türblätter), Heckklappen, Hardtop-Rahmenstrukturen, Cabrio-Dachrahmenstrukturen, Dachstrukturen, Motorhauben, Gehäuse für Getriebe und Energieverteilungskomponenten, Ölwannen, Airbag-Behälter, innere Kfz-Aufprallstrukturen, Motoraufhängungen, Armaturenträger, Anschlagleisten, Fußgängerschutzbalken, Brandwände, Hutablagen, Querschotte, Druckgefäße wie z.B. Kältemittelflaschen, Feuerlöscher und Gefäße für Lkw-Druckluftbremssysteme, Batteriehalter für hybride Verbrennungs-/Elektro- oder Elektrofahrzeuge, Querlenker und Kontrollarme für Kfz-Aufhängungen, Stabilenker, Blattfedern, Fahrzeugräder, Schwingen für Wohnmobile und Motorräder, Kotflügel, Dachrahmen und Tankklappen. Particular examples of automotive applications include: seat components and frames, hood mounts, engine mounts, suspension arms and girders, spare wheel wells, chassis reinforcements, floor panels, front modules, steering column frames, instrument panels, door systems, body panels (eg, horizontal body panels and door panels), tailgates, hardtop -Frame structures, convertible roof frame structures, roof structures, hoods, gearbox and power distribution components housings, oil sumps, airbag containers, internal vehicle impact structures, engine mounts, dashboards, stop rails, pedestrian protection beams, firewalls, parcel shelters, bulkheads, pressure vessels such as refrigerant cylinders, fire extinguishers and vessels for truck air brake systems, battery holders for hybrid electric / electric vehicles, control arms and control arms for vehicle suspensions, anti-roll bars, leaf springs, vehicle wheels, rockers for campers and motorcycles, mudguards, Roof frame and tank flaps.
Als Beispiele für Haushaltsgeräte seien insbesondere Waschmaschinen, Trockner, Kühlschränke, Klima- und Heizanlagen genannt. Als Beispiele für Freizeit- und Sportausrüstungen seien insbesondere Inline-Skate-Komponenten, Baseballschläger, Hockeyschläger, Ski- und Snowboard-Bindungen, Rücken und Rahmen für Rucksäcke und Fahrradrahmen genannt. Als Beispiele für Maschinenbauteile seien insbesondere genannt: Elektrik-/Elektronikbauteile wie z.B. Gehäuse für tragbare Elektronik, Fernseher, Bildschirme und Computer.Examples of household appliances are in particular washing machines, dryers, refrigerators, air conditioning and heating systems. Examples of recreational and sports equipment include inline skate components, baseball bats, hockey sticks, ski and snowboard bindings, rucksacks and frames for backpacks and bicycle frames. As examples of machine components may be mentioned in particular: electrical / electronic components such. Housing for portable electronics, televisions, screens and computers.
BEISPIELEEXAMPLES
Beispiel 1: Beispiel eines Fertigproduktes aus einem erfindungsgemäßen Verbundstoff und einem Verbundstoff nach den VergleichsbeispielenExample 1: Example of a finished product made from a composite according to the invention and a composite according to the comparative examples
Zum Vergleich der Leistung eines Balkens aus einem erfindungsgemäßen Verbundstoff mit einem Balken aus einem Verbundstoff nach den Vergleichbeispielen wurden folgende Versuche durchgeführt.To compare the performance of a beam of a composite according to the invention with a beam of a composite according to the comparative examples, the following experiments were carried out.
Generische Balkenstrukturen wurden aus einer Verbundstoffplatte geformt und zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere Reißkraft, Biegsamkeit oder Steifheit, Verschiebung bis zur Spitzenlast und anschließende Last- und Verschiebungsentwicklung nach der Spitzenlast bis zum Versagen der Balkenstruktur verwendet. Eine Reihe von Balken wurde nach der nachfolgenden Beschreibung mit den in der Tabelle 1 aufgeführten Materialien hergestellt.
Tabelle 1
Unter einem weiteren Aspekt weist das beim CF UD-Band der Tabelle 1 verwendete Harz eine Schmelzviskosität von 10 bis 75 Pa.s bei 290 °C und über einen Scherratenbereich von 40 bis 5000 reziproken Sekunden auf, und das Umspritzharz OM2 der Tabelle 2 weist eine Schmelzviskosität von 90 Pa.s bei 2000 s-1 bis 720 Pa.s bei 50 s-1 bei 290 °C auf.In another aspect, the resin used in the CF UD tape of Table 1 has a melt viscosity of 10 to 75 Pa.s at 290 ° C and a shear rate range of 40 to 5000 reciprocal seconds, and the overmolding resin OM2 of Table 2 has a Melt viscosity of 90 Pa.s at 2000 s-1 to 720 Pa.s at 50 s -1 at 290 ° C.
Herstellung des diagonal angeordneten UD-BandesProduction of the diagonally arranged UD band
Bauteile wurden mit einer UD-Bandablagerungszelle Fiberforge (
Zu Vergleichszwecken wurde diagonal angeordnetes UD-Band, das mit dem Fiberforge-Prozess hergestellt wurde, bei der Herstellung der beispielhaften Balkenteile auf zwei Weisen betrachtet.
- - Zunächst wurde diagonal angeordnetes UD-Band mit 6 - 8 % Hohlraumgehalt unmittelbar ohne zusätzliche Schmelzverbindung oder Vorkonsolidierung verwendet, wie es in den Beispielen E1 und E2 gemacht wurde.
- - Zweitens wurde diagonal angeordnetes UD-Band mit 6 - 8 % Hohlraumgehalt einem Vorkonsolidierungsschritt unterzogen, um eine Schmelzverbindung der UD-Bandschichten miteinander vorzunehmen und
den Hohlraumgehalt unter 2 % zu reduzieren (6C ), wie es in den Vergleichsbeispielen C1 und C2 gemacht wurde.
- Firstly, diagonally arranged UD tape with 6-8% void content was used immediately without additional fusing or preconsolidation, as was done in Examples E1 and E2.
- Secondly, a diagonally arranged 6 to 8% void UD tape was subjected to a preconsolidation step to fuse the UD tape layers together and reduce void content below 2% (
6C ), as was done in Comparative Examples C1 and C2.
Bei den Vergleichsbeispielen C1 und C2 umfasste der Vorkonsolidierungsschritt Schmelzverbindung und zusätzliche Hohlraumreduzierung unter 2 % der gestapelten UD-Bandschichten mithilfe einer warmen/kalten Presse, nachdem die UD-Bänder positioniert und miteinander lokal punktgeschweißt wurden (heiße Seite bei 280 °C, kalte Seite bei 180 °C, Druck heiße Seite 1,7 bar, kalte Seite 12 bar, Verweilzeit bei Temperatur unter Druck 350 - 400 s heiße Seite, 60 s kalte Seite).In Comparative Examples C1 and C2, the preconsolidation step involved fusion bonding and additional void reduction below 2% of the stacked UD tape layers using a hot / cold press after the UD tapes were positioned and locally spot welded together (hot side at 280 ° C, cold side) 180 ° C, pressure hot side 1.7 bar, cold side 12 bar, residence time at temperature under pressure 350 - 400 s hot side, 60 s cold side).
Der Hohlraumgehalt wurde nach ISO7822 1990(en), Verfahren C, statistisches Zählen, gemessen. Proben wurden zur optischen Mikroskopie präpariert, indem sie in Strues-Acryl-Kalteinbettmittel eingebettet und poliert wurden, um einen klaren Kontrast zwischen Faser, Harz und Hohlräumen herzustellen. Bilder wurden mit einem Olympus-Lichtmikroskop mit automatischer X-Y-Z-Stufe aufgenommen, um mehrere Bilder der Probe zu erfassen. Ein Bereich der vollen Dicke und 15 - 25 mm Länge wurde mit ausreichender Auflösung abgebildet, um Hohlräume sowohl innerhalb der Bündel als auch zwischen den Bündeln zu erkennen. Die Hohlräume wurden dann durch Segmentieren des Graustufenbildes zu einem Binärbild gezählt, wobei alle Merkmale außer den Hohlräumen entfernt wurden, und die Hohlraumfläche automatisch mit der „Analysis“-Software gezählt wurde.Void content was measured according to ISO7822 1990 (en) method C, statistical counting. Samples were prepared for optical microscopy by embedding in Strues acrylic cold embedding and polishing to produce a clear contrast between fiber, resin and voids. Images were taken with an X-Y-Z automatic X-Y stage Olympus light microscope to acquire multiple images of the sample. An area of full thickness and 15-25 mm in length was imaged with sufficient resolution to detect voids both within the bundles and between the bundles. The cavities were then counted to a binary image by segmenting the grayscale image with all features except the cavities removed and the cavity area automatically counted with the "Analysis" software.
Herstellung der beispielhaften BalkenstrukturProduction of Exemplary Beam Structure
Balken wurden aus dem der obigen Beschreibung entsprechend hergestellten diagonal angeordneten UD-Band entweder in unkonsolidierter oder vorkonsolidierter Form hergestellt, wobei die Kombinationen aus Umspritzharz und Laminat der Tabelle 4 zu entnehmen sind. Das hergestellte Laminat wurde dann mit einem 6-achsigen robotischen KMT-Wasserstrahlschneider auf die Dimensionen des Balkenwerkzeugs zugeschnitten.Beams were made from the diagonal UD tape made in accordance with the above description either in unconsolidated or preconsolidated form, with the combinations of overmolding resin and laminate shown in Table 4. The produced laminate was then cut to the dimensions of the beam tool with a 6-axis robotic KMT waterjet cutter.
Das Beispiel E2 entspricht Balken, die mit unkonsolidierten (un-con) diagonal angeordneten CF UD-Bandschichten hergestellt wurden, die mit einem erfindungsgemäßen Harz (OM2) umspritzt wurden, während das Beispiel E1 Balken entspricht, die mit unkonsolidierten (un-con) CF UD-Bandschichten hergestellt wurden, die mit einem Vergleichsharz (OM1) umspritzt wurden. Die Vergleichsbeispiele C1 und C2 entsprechen dabei Balken, die mit vorkonsolidierten (pre-con) diagonal angeordneten CF UD-Bandschichten hergestellt wurden, die jeweils mit einem Vergleichsharz (OM1) bzw. einem erfindungsgemäßen Harz (OM2) umspritzt wurden.Example E2 corresponds to bars made with unconsolidated CF UD tape layers overmoulded with a resin of the invention (OM2), while example E1 corresponds to bars containing unconsolidated (un-con) CF UD tape layers were produced which were overmolded with a comparative resin (OM1). Comparative examples C1 and C2 correspond to bars which were produced with preconsolidated (pre-con) diagonal CF UD tape layers, which were in each case encapsulated with a comparative resin (OM1) or a resin (OM2) according to the invention.
Die generische Balkenstruktur ist in
In diesem Beispiel kann das Verfahren folgenden Schritten folgen:
- (41)
- Vorsehen eines aus UD-Kohlefasern und einem Thermoplasten bestehenden UD-Bandes;
- (42)
- diagonales Anordnen des UD-Bandes und lokales Zusammenfügen der Schichten, z.B. durch Punktschweißen;
- (43)
- Heizen der nicht konsolidierten UD-Schichten, z.B. mit Infrarotstrahlung, oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten;
- (44)
- Stanzbiegen der erwärmten UD-Schichten
- (45a1)
- Kühlen unter Druck;
- (46)
- Optionales Zuschneiden der erwärmten, stanzgebogenen, gekühlten UD-Schichten;
- (47)
- Erwärmen der ausgestanzten UD-Schichten leicht unterhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten;
- (48a)
- Umspritzen mit der erfindungsgemäßen Umspritzharzzusammensetzung;
- (45a2)
- Kühlen unter Druck;
- (49)
- Isolieren des Endbauteils. Alternativ kann das Verfahren folgenden Schritten folgen:
- (41)
- Vorsehen eines aus UD-Kohlefasern und einem Thermoplasten bestehenden UD-Bandes;
- (42)
- diagonales Anordnen des UD-Bandes und lokales Zusammenfügen der Schichten, z.B. durch Punktschweißen;
- (43)
- Heizen der nicht konsolidierten UD-Schichten, z.B. mit Infrarotstrahlung, oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten;
- (48b)
- Überspritzen mit der erfindungsgemäßen Umspritzharzzusammensetzung;
- (45b)
- Kühlen unter Druck;
- (49)
- Isolieren des Endbauteils.
- (41)
- Providing a UD tape made of UD carbon fibers and a thermoplastic;
- (42)
- diagonal placement of the UD tape and local assembly of the layers, eg by spot welding;
- (43)
- Heating the non-consolidated UD layers, eg with infrared radiation, above the melting point of the thermoplastic;
- (44)
- Punch bending of the heated UD layers
- (45a1)
- Cooling under pressure;
- (46)
- Optional cutting of the heated, punched, cooled UD layers;
- (47)
- Heating the punched out UD layers slightly below the melting point of the thermoplastic;
- (48a)
- Overmolding with the coating resin composition of the invention;
- (45a2)
- Cooling under pressure;
- (49)
- Isolate the end component. Alternatively, the process may follow the following steps:
- (41)
- Providing a UD tape made of UD carbon fibers and a thermoplastic;
- (42)
- diagonal placement of the UD tape and local assembly of the layers, eg by spot welding;
- (43)
- Heating the non-consolidated UD layers, eg with infrared radiation, above the melting point of the thermoplastic;
- (48b)
- Overmolding with the overmolding resin composition of the invention;
- (45b)
- Cooling under pressure;
- (49)
- Isolate the end component.
Im nachfolgenden Beispiel umfasst der Formungsvorgang zwei Hauptschritte, wie dies in Fig. 5 näher veranschaulicht wird (Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens rechts und Vergleichsverfahren links):In the following example, the shaping process comprises two main steps, as illustrated in more detail in FIG. 5 (example of a method according to the invention on the right and comparison method on the left):
Formungsschritt 1:Forming step 1:
Verbundplatten wurden zur Anpassung an das Formwerkzeug auf eine Größe von 890 x 340 mm zugeschnitten. Das Stanzbiegeformwerkzeug bestand aus einem Stahlwerkzeug mit durchgehendem Hohlraum von 1,5 mm, temperiert mit Druckfassererhitzer/-kühler, so dass eine gewünschte Temperatur aufrecht erhalten werden konnte, wobei bei diesen Versuchen 140 °C verwendet wurde, was der verwendeten Polymerzusammensetzung angepasst war. Geführt wird das Werkzeug durch Indexbolzen und Absatzblöcken, was allgemein bekannt ist, um eine präzise Führung des Werkzeugs beim Schließen zu gewährleisten. Das Formwerkzeug wurde in einer vertikalen Hydraulikpresse mit Unterwangenhydraulik und schnellen Hydrospeicheln, um ein rasches Schließen und einen raschen Druckaufbau zu gewährleisten. Die Plattenmaterialien wurden in einer Rohlingshalterung angeordnet, die an einem Servoschlitten mit Elektroantrieb montiert war. Der Schlitten verlud die Materialien in einen schnell wirkenden Mittelwellen-Infrarot-Ofen, indem das diagonal angeordnete UD-Band über den Schmelzpunkt des UD-Bandes erwärmt wurde (43), d.h. auf etwa 290 - 300 °C, wobei die Temperatur mit Infrarot-Pyrometern geregelt wurde. Um zu gewährleisten, dass die Mittel der UD-Bandstapel ausreichend geschmolzen wurde, wurde eine Verweilzeit von 5 bis 30 s bei 290 - 300 °C verwendet (Darstellung von Schritt (iii)). Der Schlitten wurde dann so programmiert, dass er sich schnell aus dem IR-Ofen nach oberhalb des Stahlstanzwerkzeugs begab, wobei die Transferzeit vom Verlassen des Ofens bis zum Schließen der Presse typischerweise 8 s betrug (44). 30 s lang wurde eine Kraft von 1800 kN angewendet, die einen Druck von 100 - 150 bar ergab, um Konsolidierung, Kristallisation und Kühlung unter Druck
Formungsschritt 2:Forming step 2:
Die ausgestanzte Schalenstruktur wurde dann in eine Umspritzzelle gebracht, die Förderer, einen 6-achsigen ABB-Roboter mit Vakuumgreifer, einen Zwangskonvektions-Heizofen (Reinhardt), eine Engel 700T-Spritzgusspresse und ein Spritzgießwerkzeug umfasste. Die ausgestanzte Verbundplatte, die die strukturelle Einlage des Balkenwerkzeugs darstellte, wurde im Heizofen auf 220 - 230 °C erwärmt (Aufwärmen) erwärmt (47), bevor sie durch den Roboter rasch ins offene Umspritzwerkzeug überführt wurde. Die Transferzeiten betrugen typischerweise 13 s. Umspritzharzzusammensetzungen (erfindungsgemäße Zusammensetzung bzw. Vergleichszusammensetzung) wurden dann verwendet und auf die ausgestanzte Einlage so überspritzt (48a), dass adhäsives Bonden oder Autohäsion (Heilung) zwischen den zwei Polyamidzusammensetzungen erfolgte, so dass die geschmolzenen Umspritzpolymerschmelzen in einen dünnen Abstand der gestapelten UD-Bänder hinein, und während sich beide Materialien im Umspritzwerkzeug kühlen, rekristallisiert sich das Polymer der gestapelten UD-Bänder durch die Schnittstelle, um ein integriertes Teil zu ergeben (45a2), wie in
UmspritzharzzusammensetzungUmspritzharzzusammensetzung
Ein erfindungsgemäßes Umspritzharz wurde mit einem Berstoff-Compounder mit 40 mm Schnecke und Seitenbeschickern mit einer Faßtemperatur von 280°C, einem Matrizendruck von 19 bar, einer Schneckendrehzahl von 300 U/m bei einem Durchsatz von 120 kg/h als Mischung aus Nylon PA66/6 und Dodecandisäure (DDDA) als Kettenaufspaltungsmittel zur Reduzierung der Viskosität und zur Erhöhung der Benetzbarkeit hergestellt. Außerdem wurde ein Zähigkeitsvermittler über den Seitenbeschicker der Mischung hinzugegeben, und zwar ein Zähigkeitsvermittler nach
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Umspritzharzes (OM2) wurden gegenüber Zytel 75CG45 (enthält keine DDDA) nach den in der Tabelle 3 aufgeführten ISO-Normen bei 23 °C im spritzfrischen Zustand (DAM) getestet und sind nachfolgend in der Tabelle 3 als Mittelwert von 5 Proben dargestellt. Erkennbar ist, dass die Steifheit und Festigkeit von OM2 leicht erhöht wurde und Änderungen bezüglich der Bruchdehnung und des ungekerbten Charpy-Werts innerhalb der Standardabweichung zu verzeichnen waren.
Tabelle 3
Indem das Umspritzharz zur Reduzierung der Viskosität modifiziert wurde, konnte an der Schnittstelle eine erhöhte Benetzung erreicht werden. Die Tabelle 4 vergleicht das erfindungsgemäße Umspritzharz (OM2) mit der gleichen Zusammensetzung ohne DDDA (Zytel 75CG45) und dem glasgefüllten Vergleichs-Umspritzharz mit niedrigerer Steifheit, da es nur Glasfasern enthält (Zytel 70G50HSLA BK039B, OM1).
Tabelle 4
Erkennbar ist, dass die Bruchdehnung über 3 % liegt und dabei ein Zugmodul von 17 GPa aufrecht erhalten wird, um ein zähes, aber steifes Umspritzmaterial zu ergeben und dabei die niedrigere Viskosität eines herkömmlichen Umspritzharzes wie z.B. OM 1 Zytel 70G50HSLA BK039B, das keine DDDA enthält, aufrecht zu erhalten.It can be seen that the elongation at break is greater than 3% while maintaining a tensile modulus of 17 GPa to yield a tough but stiff overmolding material, while maintaining the lower viscosity of a conventional overmolding resin such as that shown in FIG.
Tests an der beispielhaften BalkenstrukturTests on the exemplary beam structure
Um die Vorteile der Verbundstrukturen am Beispiel der Balkenstruktur aufzuzeigen, wurden die Balken in einem Mechaniklabor nach der nachstehenden Schrittfolge getestet, wie in
Die Balken wurden auf einer servohydraulischen Universalprüfmaschine der Fa. Instron mit erweitertem Prüfstand getestet. Feste Stahlträger wurden hergestellt, und die Balken wurden auf die Trägerplatten mit 6 x Stahlbolzen an jedem Ende befestigt, die mit einem Momentschlüssen angezogen wurden. Auf die Mitte des Balkens wurde mit einer Ladenase mit 37 mm Radius eine Kraft angewendet. Die Prüfträger wiesen einen Radius von 4 mm auf, und die Spannweite betrug 452 mm. Die Tests wurden bei 23 °C durchgeführt, und die Proben waren DAM. Die Prüfgeschwindigkeit betrug 0,2 in/min. Drei Wiederholungsversuche wurden für jedes de Beispiele C1, C2, E1, E2 vorgenommen, wobei die gemittelten Ergebnisse der nachfolgenden Tabelle 5 zu entnehmen sind (VC heißt Hohlraumgehalt, gemessen nach den obigen Ausführungen).
Tabelle 5
Erkennbar ist, dass der Vorkonsolidierungsschritt, der den Hohlraumgehalt des UD-Bandes unter 2 % reduzierte, die Nachgiebigkeit des Balkens nicht erhöhte, die 1,20 kN/mm für C1 und 1,22 für E1 betrug (beide mit Harz OM2 umspritzt) und 1,27 kN/mm für C2 und 1,33 für E2 (beide mit Harz OM1 umspritzt) betrug. Die Spitzenkraft war bei C1 leicht höher als bei E1, während zwischen C2 und E2 die Spitzenkraft des unkonsolidierten Materials leicht höher war. Folglich kann das unkonsolidierte UD-Band dem vorkonsolidierten UD-Band aus der Sicht der Steifheit des Bauteils und der Spitzenlast für gleichwertig erachtet werden, was eine überraschende Feststellung ist.It can be seen that the preconsolidation step, which reduced the void content of the UD tape below 2%, did not increase the compliance of the beam, which was 1.20 kN / mm for C1 and 1.22 for E1 (both overmoulded with resin OM2) and 1.27 kN / mm for C2 and 1.33 for E2 (both overmoulded with resin OM1). The peak power was slightly higher at C1 than at E1, while between C2 and E2 the peak power of the unconsolidated material was slightly higher. Consequently, the unconsolidated UD band may be considered equivalent to the pre-consolidated UD band from the viewpoint of component stiffness and peak load, which is a surprising finding.
Ferner ist zu erkennen, dass die Kombination aus unkonsolidiertem UD-Band und OM2 zu Erhöhungen der Energie bei Spitzenlast führte, die durch Integrieren der Fläche unter der Kraft-Weg-Kurve ermittelt wurde. Das mit OM2 umspritzte C1 (vorkonsolidiert) wies eine Energie bis Spitzenlast von 594 J auf, die kleiner war als die Energie bis Spitzenlast des mit dem gleichen Harz umspritzten, nicht vorkonsolidierten E1 (776 J). Überraschenderweise wurde die gewünschte Erhöhung der Energie bei Spitzenlast weder bei Verwendung des mit OM1 umspritzten konsolidierten UD-Bandes (C2) noch bei Verwendung des mit OM1 umspritzten unkonsolidierten UD-Bandes (E1) beobachtet; hierzu bedarf es vielmehr der Verwendung von OM2 und unkonsolidiertem UD-Band. Anzumerken ist, dass die unerwarteten erheblichen Verbesserungen bei den Eigenschaften der Balken nicht nur bei der Energie bis Spitzenlast, sondern v.a. (was wünschenswert ist) bei der Energie bis Versagen des Balkens auftreten. Hier kam es zu einem Anstieg der Energie bis Versagen des Balkens um den Faktor 2, der durch die neue Kombination aus unkonsolidiertem UD-Band und OM2-Harz erreicht wurde. Im Einzelnen wies E1 mit unkonsolidiertem UD-Band und OM2 eine Energie bei Balkenversagen von 1469 J, d.h. fast zweimal die Energie bei Balkenversagen bei C1, bei dem vorkonsolidiertes UD-Band und OM2-Harz beobachtete wurde (762 J).It can also be seen that the combination of unconsolidated UD band and OM2 resulted in increases in peak load energy, which was determined by integrating the area under the force-displacement curve. The OM2 overmoulded C1 (pre-consolidated) had an energy up to peak load of 594 J, which was less than the energy to peak load of the same resin overmolded, non-pre-consolidated E1 (776 J). Surprisingly, the desired increase in peak load energy was not observed using either the OM1 overmolded consolidated UD tape (C2) or the OM1 overmolded unconsolidated UD tape (E1); this requires the use of OM2 and unconsolidated UD tape. It should be noted that the unexpected significant improvements in the properties of the beams not only in the energy to peak load, but v.a. (which is desirable) at the energy to failure of the bar occur. There was a 2-fold increase in energy to failure of the beam achieved by the new combination of unconsolidated UD tape and OM2 resin. Specifically, E1 with unconsolidated UD band and OM2 had energy at beam failures of 1469 J, i. Almost twice the energy at beam failures at C1, where pre-consolidated UD band and OM2 resin were observed (762 J).
Das gleiche unkonsolidierte UD-Bandmaterial weist keine derartige Verbesserung bei der Energie bis Balkenversagen auf, wenn es mit einem Vergleichsharz (OM1) als Vergleichsbeispiel E2 umspritzt wird, bei dem unkonsolidiertes UD-Band und OM1-Harz verwendet wurden und eine Energie bei Balkenversagen von 462 J festgestellt wurde, was dem Vergleichsbeispiel C2 mit vorkonsolidiertem UD-Band und OM1-Harz (411 J) entspricht.The same unconsolidated UD tape has no such improvement in energy to beam failure when overmoulded with a comparative resin (OM1) as Comparative Example E2 using unconsolidated UD tape and OM1 resin and energy at beam failures of 462 J, which corresponds to Comparative Example C2 with preconsolidated UD tape and OM1 resin (411 J).
Diese Ergebnisse sprechen für die vorteilhaften Wirkungen der Kombination aus unkonsolidiertem UD-Band und OM2 bei der Erreichung der Verdopplung der Energie bis Balkenversagen bei gleichwertiger Steifheit und Spitzenkraft des Balkens.These results support the beneficial effects of the unconsolidated UD band and OM2 combination in achieving energy doubling to bar failure with equivalent stiffness and peak beam strength.
Bei diesem Versuch kommt es bei herkömmlichen Glasfaserbalken typischerweise in der Mitte des Balkens zum Bruch mit katastrophalen Versagen, wenn das Glaslaminat in der Mitte des Balkens versagt. Dies führt zu einem plötzlichen Lastabfall. Kohlefaserlaminatbalken sind zwar steifer, versagen aber auf die gleiche Art und Weise mit zentralem katastrophalem Versagen.In this experiment, conventional glass fiber joists typically break in the middle of the beam, causing catastrophic failure when the glass laminate in the middle of the beam fails. This leads to a sudden load drop. Carbon fiber laminate beams, while stiffer, fail in the same manner with central catastrophic failure.
Demgegenüber weisen die aus Laminaten der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bestehenden Balken eine herkömmlichen Balken aus UD CF-Band gleichwertige Spitzenlast und Steife auf und zeigen dabei eine deutliche Erhöhung der Energieabsorption und Verschiebung bis Versagen gegenüber den Balken aus vorkonsolidiertem UD CF-Band.On the other hand, the beams made of laminates of the present invention have a conventional UD CF band beam of equivalent peak load and stiffness, exhibiting a significant increase in energy absorption and displacement to failure against the preconsolidated UD CF tape beams.
Ferner ergibt das erfindungsgemäße Verfahren Materialien mit erhöhter Steifheit gegenüber herkömmlichen gehärteten Glasfaserzusammensetzungen (z.B. nach
Somit bieten die erfindungsgemäßen Verfahren und Materialien die Möglichkeit einer Senkung der Herstellungskosten der Kohlenfaserbauteile insgesamt (durch die Vermeidung einer Vorkonsolidierung vor der Umwandlung in das Endbauteil) und erreichen dabei das gewünschte Crash-Verhalten. Thus, the methods and materials of the invention offer the possibility of reducing the overall manufacturing cost of the carbon fiber components (by avoiding pre-consolidation prior to conversion into the final component) and thereby achieve the desired crash performance.
Bezeichnend für die Ergebnisse der Biegeversuche ist ferner der Hohlraumgehalt im Bereich des UD-Bandes des umspritzten Balkens (in
In der
Im Vergleichsbeispiel wird durch die Vorkonsolidierung eine Senkung des Hohlraumgehalts durch eine zusätzliche Wärme- und Druckbehandlung erreicht, um eine homogene Platte herzustellen.
Somit wird die verbesserte Energieabsorption bei den Tests ohne Einbußen bei der Steifheit des Bauteils erreicht durch eine weniger homogene Mikrostruktur mit erhöhtem Hohlraumgehalt in der Mitte der lokalen Kohlefaseragglomerationen mit harzreichen Bereichen zwischen diesen Agglomerationen, wenn dieses mit dem zähen, weniger viskosen Überspritzharz OM2 verwendet wird.Thus, the improved energy absorption in the tests, without sacrificing component stiffness, is achieved by a less homogeneous microstructure with increased void content in the center of the local carbon fiber agglomerations with resinous regions between these agglomerations when used with the tough, less viscous overmolding resin OM2.
Anzumerken ist, dass der Hohlraumgehalt nach dem Stanzbiegen bei nicht vorkonsolidiertem UD 6 - 9 % (
Die Mikrostruktur nach
Folglich wird die verbesserte Energieabsorption bei den Tests ohne Einbußen bei der Steifheit der Bauteile erreicht durch eine weniger homogene, aber geregelte Mikrostruktur mit erhöhtem Hohlraumgehalt in der Mitte der lokalen Kohlefaseragglomerationen mit harzreichen Bereichen zwischen diesen Agglomerationen, wenn sie mit dem zähen, weniger viskosen Umspritzharz OM2 verwendet werden, das ein strangartiges Versagen der UD-Bandschichten mit Delaminierungen zwischen UD-Bandschichten mit Durchreißen der Lastbereiche und Aufrecherhaltung der Kraft beim Biegeversuch infolge höherer Verschiebungen ergibt.Thus, the improved energy absorption in the tests, without sacrificing component stiffness, is achieved by having a less homogeneous but controlled microstructure with increased void content in the center of the local carbon fiber agglomerations with resinous regions between these agglomerations when combined with the tough, less viscous overmolding resin OM2 which results in strand-like failure of the UD tape layers with delamination between UD tape layers with stress domain rupture and force retention in flexure due to higher displacements.
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