DE19738388A1 - Dickenadaptives, flächiges, textilverstärktes Halbzeug mit thermoplastischer Matrix - Google Patents

Dickenadaptives, flächiges, textilverstärktes Halbzeug mit thermoplastischer Matrix

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Description

Die Erfindung betrifft ein dickentolerantes, flächiges textilverstärktes Halbzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das bei der Umformung eine Adaption der Materialdicke an die bestehende lichte Weite der Werkzeugkavität in Metall-Metall Werkzeugen ermöglicht und so die schnelle und einfache Herstellung von Bauteilen mit hohem Rekonsoliderungsgrad auch bei lokal unterschiedlichen Materialdicken sicherstellt.
Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix finden in zunehmendem Maße als Schalenelemente und Strukturbauteile Anwendung in der Transport-, Automobil- und Luftfahrtindustrie. Gegenüber Faserverbundwerkstoffen mit duromerer Matrix zeichnen sich thermoplastische Verbundwerkstoffe durch kürze Zykluszeiten, geringere Splitterneigung bei Bruchversagen und damit höherer Zähigkeit, geringere Arbeitsplatzbelastung durch den Wegfall flüchtiger Stoffe, Schweißbarkeit und Wiederaufschmelzbarkeit aus. Um den hohen Anforderungen an Steifigkeit und Festigkeit in der Luftfahrtindustrie gerecht zu werden, kommen hier hauptsächlich Verbundwerkstoffe zum Einsatz, deren Verstärkungsfasern in Belastungsrichtung ausgerichtet sind. Die exakte Ausrichtung der Fasern entlang der Kraftflußlinien erschwert die Bauteilherstellung, weshalb die Fertigungsprozesse sehr aufwendig und damit auch verhältnismäßig kostenintensiv sind. In der Automobilindustrie hat sich vor allem das Fließpressen von glasmattenverstärkten Thermoplasten auf Basis von Polypropylen, Polycarbonat und Mischungen von Polycarbonat und thermoplastischen Polyestern zur Herstellung von Sitzstrukturen, Front-Ends, Stoßfängerträgern und Geräuschkapselungen etabliert. Dabei wird der vorkonsolidierte Verbund aus Glasmatten und thermoplastischer Matrix in einer Aufheizstation bis über Schmelztemperatur des teilkristallinen Thermoplasten erwärmt, dem Arbeitsraum der Presse zugeführt, dort bei einem Druck von mehr als 100 bar in einem Tauchkantenwerkzeug solange verpreßt, bis die Werkzeugkavität vollständig ausgefüllt ist. Anschließend wird der Verbund bis auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur der teilkristallinen Matrix abgekühlt. Somit lassen sich Bauteile mit Zykluszeiten von weniger als 1 Minute großserientechnisch und wirtschaftlich herstellen (Breuer, U., Neitzel, M.: High Speed Stamp Forming of Thermopla­ stic Composite Sheets, Polymer and Polymer Composites, 4, S. 117-123, 1996).
Durch die Verwendung ungerichteter Verstärkungsstrukturen weisen diese Bauteile homogene aber vergleichsweise niedrige Steifigkeits- und Festigkeitswerte auf. Die Ausrichtung der Fasern und damit die effektive Nutzung der Verstärkungseigenschaften kann jedoch durch die Verwendung von Verstärkungstextilien in Form von Gestricken, Geweben oder Gelegen erleichtert werden.
Die Herstellung thermoplastischer Halbzeuge mit Verstärkungstextilien kann dann nach Verfahren erfolgen, wie sie beispielsweise in DE-OS 37 34 296, DE 23 12 816 C3 und DE-C 29 48 235 beschrieben sind. Die vorkonsolidierten, flächigen Verbundwerkstoffe mit Verstärkungstextilien und thermoplastischer Matrix mit einem Faservolumenanteil von üblicherweise 40 bis 60% sogenannte Organobleche, können durch Umformung (DE 41 16 800 A1, DE 40 09 182 A1, DE 41 15 831 A1) zu Schalenelementen und Strukturbauteilen mit vergleichsweise hohen Steifigkeits- und Festigkeitswerten weiterverarbeitet werden, wobei sich die Bauteileigenschaften aus der Lage und Orientierung der Verstärkungsfasern nach der Umformung ergeben.
Bei der Umformung von gewebe- oder gelegeverstärkten Thermoplasten ist aufgrund der Faserorientierung in Richtung der auftretenden Umformkräfte in der Halbzeugebene eine Verstreckung des Materials nur im Bereich der zulässigen Faserdehnung möglich. Die Abbildung der Bauteilgeometrie erfolgt dann durch interlaminares Gleiten der einzelnen Verstärkungslagen und durch Scherung der Gewebe. Zur Rekonsolidierung der Verstärkungslagen ist abschließend ein Druck von mindestens 10 bar notwendig, der durch das Schließen der Presse über die Werkzeugoberflächen in das Material eingebracht wird. Die Reorientierung der Fasergewebestruktur ist über die Änderung des Winkels zwischen Schuß- und Kettrichtung der Gewebe mit einer lokalen Aufdickungsdickung der Verstärkungslage (Trellis Effekt) verbunden. In Abhängigkeit der Bauteilgeometrie und damit dem Grad der Anpassung der Verstärkung an die Oberfläche durch Gewebescherung ergibt sich so ein Bauteil mit lokal unterschiedlicher Dicke.
Bei der Umformung von gewebe- oder gelegeverstärkten Thermoplasten durch Stempelformen können sowohl Stahl-Stahl als auch Stahl-Gummi Werkzeuge zum Einsatz kommen. Vor allen Dingen in Eckbereichen, die sich durch eine starke Gewebescherung auszeichnen, kann es bei einer Verwendung von Me­ tall-Metall Werkzeugen zu einer kritischen Aufdickung von Material kommen, die letztendlich bei einer zu niedrigen Werkzeugkavität lokal zu einer Zerstörung der Verstärkungsstruktur infolge Faserbruch führen kann. Demgegenüber ist bei einem zu großen Abstand zwischen Werkzeugunter- und -oberteil ein Verpressen und damit eine Rekonsolidierung der einzelnen Lagen nicht mehr sichergestellt. Dadurch verbleiben im Bauteil innerhalb der Verstär­ kungslagen Lufteinschlüsse, sogenannte Poren, die zu einer drastischen Reduzierung der Festigkeits- und Steifigkeitswerte führen können (Kurek, K.: Einfluß von Mikroporen auf das mechanische Verhalten von Faserverbundwerkstoffen, Dissertation am IfW der Universität Kassel, 1993; Yoshida, H., Ogasa, T., Hyashi, R.: Statistical Approach to the Relationship between ILSS and Void Content of CFRP, Composite Science and Technology, 25, S. 3-18, 1986). Aufgrund der nahezu fehlenden Kompressibilität des Materials in Dickenrichtung reichen schon geringste Abweichungen zwischen lokaler Materialdicke und Höhe der Werkzeugkavität aus, um die zulässigen Druckgrenzen zu über- bzw. zu unterschreiten.
Im Vergleich dazu findet bei der Verwendung von Metall-Gummi Werkzeugen eine Anpassung der kompressiblen Werkzeughälfte an die Materialdicke und damit eine erstrebenswerte quasi-hydrostatische Druckbeaufschlagung statt. Kritisch ist bei dieser Werkzeugkonfiguration jedoch anzumerken, daß die Standzeit gegenüber Metall-Metall Werkzeugen deutlich geringer ausfällt und durch die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der Werkzeughälften bei der Abkühlung eine z. T. stark unterschiedliche Oberflächenmorphologie erzeugt wird, die zu einem Verzug des Bauteils führen kann. Darüber hinaus läßt sich nur an der Metallseite des Werkzeugs eine definierte Bauteiloberfläche erzeu­ gen. Für großserientechnische Anwendungen sind deshalb Metall-Metall Werkzeugen zu bevorzugen.
Die Vorhersage der Reorientierung der Gewebe während der Umformung und somit die lokale Änderung der Bauteildicke ist ein entscheidender wirtschaftlicher und technologischer Gesichtspunkt bei der Auslegung und Konstruktion von Metallwerkzeugen für die faserschonende Herstellung porenfreier Bauteile auf Umformanlagen und Umformpressen (Möller, F., Maier, M.: Material Models for the Process Simulation of Thermoplastic Sand­ wich Forming, Proc. of the 11th International Conference on Composite Mate­ rials 14.-18.07.1997, S. 333-342, 1997). Kritisch ist jedoch anzumerken, daß Untersuchungen auf empirischer Basis durch sukzessive Anpassung der Werkzeugkavität an die resultierende Bauteildicke äußerst zeit- und kostenintensiv sind. Deshalb wird versucht, durch Simulation der Gewebereorientierung den Drapiervorgang mit entsprechenden Computerprogrammen vorherzusagen. Allerdings ist es mit momentan kommerziell erhältlichen Simulationsprogrammen noch nicht möglich, die resultierende Bauteildicke zufriedenstellend zu prognostizieren.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein textilverstärktes thermoplastisches Halbzeug zu entwickeln, das über eine Änderung der Quer­ schnittsgeometrie während des Umformvorgangs eine schnelle und einfache Anpassung an die Werkzeugkavität sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Halbzeug aus Hauptschichten (A) und Zwischenschichten (B) aufgebaut ist.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. In Fig. 1-a bis Fig. 1-d ist der Aufbau von vier Ausführungsbeispielen dickenadaptiver, flächiger textilverstärkter Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix dargestellt. Dabei können Hauptschichten und Zwischenschichten wechselweise in der Form A-B-A-B-A . . . (Fig. 1-a), B-A-B-A-B . . . (Fig. 1-b) oder gruppenweise in der Form B-A-A-A . . . (Fig. 1-c) und . . . A-A-B-A-A . . . (Fig. 1-d) angeordnet sein.
Hierbei übernimmt die Hauptschicht (A) tragende Funktionen und bestimmt durch die Wahl der Verstärkung hinsichtlich Struktur und Faserart sowie über den Faservolumengehalt die Höhe der Steifigkeits- und Festigkeitswerte. Die Verstärkungsfasern können aus den üblichen Materialien bestehen, z. B. Glas, Kohlenstoff oder aromatischen Polyamide. Sie werden in der Form von Gelegen, Gestricken, Geweben oder Unidirektional mit einem Flächengewicht von 200 bis 800 g/qm zur Verstärkung der thermoplastischen Kunststoffe in den Hauptschichten eingesetzt. Dabei wird mindestens eine Verstärkungslage zur optimalen Span­ nungsübertragung mit thermoplastischer Matrix vollständig imprägniert und konsolidiert. Bevorzugte Matrizes sind Kunststoffe die sich reversibel oder intermediär thermoplastisch verhalten, z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol enthaltende Mehrphasenkunststoffe wie ABS, Polyamide, thermoplastische Polyester, Polycarbonat enthaltende Polymermischungen wie PC/PBT, Polyphenylensulfid und Polyetherketone.
Die Zwischenschicht (B) besteht aus unverstärkten thermoplastischen Materialien desselben Grundtyps, anderen verträglichen Thermoplasten oder verträglich gemachten Kunststoffen, besonders bevorzugt Elastomere. Sie sind aufgrund physikalischer oder chemischer Beanspruchung in der Lage, Dickenänderungen der Zwischenschicht durch Materialverdrängung, Expansion oder Kompression herbeizuführen. Die Dicke einer Zwischenschicht hängt von den jeweiligen Anforderungen an die zu realisierende Adaption ab und kann üblicherweise zwischen 10 und 1000 µm, bevorzugt zwischen 100 und 500 µm, liegen. Der Grad der Dickenadaption liegt pro Einzelschicht zwischen 5 und 100 µm, bevorzugt zwischen 10 und 50 µm.
Anhand der die Wirkungsweise der Zwischenschicht hervorhebenden Fig. 2 wird das Prinzip der Dickenadaption erläutert. Bei der Umformung von dicke­ nadaptiven Halbzeugen bestehend aus Hauptschichten (A) und Zwischen­ schichten (B) in Metall-Metall Werkzeugen (1) kommt es bei einer dreidimen­ sionalen Umformung (z. B. in den Eckbereichen) zu einer Materialverdickung der Hauptschicht (2) infolge Scherung der textilen Verstärkungsstruktur. Die­ se Verdickung (2) wird lokal durch Verringerung der Schichtdicke der Zwi­ schenschicht (3) kompensiert und so eine Beschädigung der Verstärkung durch zu hohen Druck vermieden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Herstellung dickenadaptiver Halbzeuge aus innig verbundener Haupt- und Zwischenschichten mit kontinuierlich arbeitenden Verfahren, vorzugsweise Doppelbandpresse und Kalandersysteme oder diskontinuierlich arbeitenden Verfahren, vorzugsweise Etagenpresse oder Autoklav, unter Drücken von mehr als 5 bar und Verarbeitungstemperaturen von mehr als 20 Kelvin über Schmelztemperatur bei teilkristallinen Thermoplasten und mehr als 100 Kelvin über Glasübergangstemperatur bei amorphen Thermoplasten.
Die erfindungsgemäße Abstimmung des Schmelzverhaltens und der Rheologie des in der Zwischenschicht verwendeten Thermoplasten mit der thermoplastischen Matrix der Hauptschicht, ermöglicht die Steuerung des Fließverhaltens und damit dem Grad der Dickenreduzierung durch Materialverdrängung bei transversaler Druckbeaufschlagung im Werkzeug. Dies wird dadurch erreicht, daß in der Zwischenschicht entweder eine bei niedrigeren Temperaturen schmelzende Type gleicher oder höherer Viskosität oder ein bei gleichen Temperaturen niedrigviskoserer Thermoplast eingesetzt wird. Üblicherweise beträgt der Temperaturunterschied hinsichtlich Rekristallisationstemperatur bei teilkristallinen Thermoplasten und Glasübergangstemperatur bei amorphen Thermoplasten mehr als 15 Kelvin. Somit wird gewährleistet, daß die Matrix der Zwischenschicht beim Abkühlvorgang bei vergleichbarem Fließverhalten länger schmelzflüssig und somit fließfähig bleibt, als der Thermoplast in der Hauptschicht. Der entscheidende Vorteil dieser Konfiguration liegt darin, daß zwischen den während des Abkühlvorgangs erstarrenden Hauptschichten eine fließfähige Zwischenschicht eingelagert ist, die verdrängt werden kann.
Vergleichbare Effekte bei der Verwendung thermoplastischer Kunststoffe desselben Grundtyps oder verträglicher Typen mit übereinstimmenden Schmelzbereichen bei teilkristallinen Thermoplasten und Erweichungsbereichen bei amorphen Thermoplasten in den Haupt- und Zwischenschichten können durch Kunststofftypen mit unterschiedlicher Viskosität erreicht werden, wobei die Viskosität der in der Zwischenschicht verwendeten thermoplastischen Kunststoffe üblicherweise 10 bis 75% niedriger liegt.
Die erfindungsgemäße Verwendung von teilvulkanisiertem Kautschuk, thermoplastischen Elastomeren mit einer Shore D Härte vorzugsweise zwischen 35 und 90, oder die Modifikation der Matrix in der Zwischenschicht mit thermoplastischen Elastomeren ermöglicht eine Dickenadaption durch lokale Komprimierung der Zwischenschichten unter dem durch die Werkzeugoberflächen auf das vorkonfektionierte Halbzeug bei der Umformung einwirkenden Verarbeitungsdruck. Darüber hinaus stellen diese Zwischenschichten dem Bauteil gewisse Zähigkeitsreserven bei Schlagbeanspruchung zur Verfügung und wirken geräuschdämmend. Bei einer Ausführung des dickenadaptiven Halbzeugaufbaus nach Fig. 1-b und Fig. 1-c mit der kompressiblen Zwischenschicht an der Außenseite des Bauteils lassen sich zusätzlich noch die Funktionen Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit verwirklichen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können zur Erhöhung der Stabilität der Zwischenschicht unter Druck zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und darüber hinaus zur Einstellung eines im Vergleich zu unverstärkten Typen zäheren Fließverhaltens Verstärkungsfasern zugesetzt werden. Dies sind üblicherweise Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Polyethylen oder Polyesterfasern in Form von ungerichteten Fasern mit einer Länge vorzugsweise zwischen 0,3 und 50 mm oder quasi-isotropen Textilien z. B. vernadelte oder unvernadelte Wirrfasermatten und Vliese. Die Verstärkungsfa­ sern können zudem in die benachbarten Hauptschichten hineinragen und so die Verbindung der beiden Schichten verbessern. Bei einer Ausführung des dicke­ nadaptiven Halbzeugaufbaus nach Fig. 1-b und Fig. 1-c mit der fließfähigen Zwischenschicht an der Außenseite des Bauteils kann durch entsprechende Wahl der thermoplastischen Matrix eine zusätzliche Funktion dieser Schicht z. B. UV-Stabilität, Oberflächenqualität oder Chemikalienbeständigkeit, eingestellt werden.
Dank des erfindungsgemäßen dickenadaptiven Halbzeugs können textilverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe mit Metall-Metall Werkzeugen auf Umformanlagen und Umformpressen zu Bauteilen mit voll­ ständig imprägnierten und konsolidierten Hauptschichten verarbeitet werden. Neben der verbesserten Bauteilqualität sind vor allem die Reduzierung der technischen und wirtschaftlichen Aufwendungen bei der Konstruktion und Auslegung der Umformwerkzeuge und die damit verbundene hervorragende werkzeugtolerante Verarbeitbarkeit hervorzuheben. Darüber hinaus kann durch die verschleißmindernde Verarbeitung dickenadaptiver Halbzeuge die Stand­ zeit kostenintensiver Metall-Metall Werkzeuge deutlich erhöht werden.

Claims (16)

1. Dickenadaptives, flächiges textilverstärktes Halbzeug mit thermoplastischer Matrix bestehend aus porenfreien Hauptschichten (A) und Zwischenschichten (B) zur Herstellung von Formteilen auf einer Umformanlage oder Umformpresse gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • a) mindestens eine dickenadaptive Zwischenschicht bestehend aus verstärkten oder unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen oder verträglich gemachten Kunststoffen.
  • b) mindestens eine Hauptschicht bestehend aus mindestens einer mit thermoplastischen Kunststoffen desselben Grundtyps oder anderen verträglichen thermoplastischen Kunststoffen imprägnierten und konsolidierten Verstärkungslage aus Fasergelegen, Fasergeweben, Fasergestricken oder unidirektionaler Faserverstärkung mit einem Flächengewicht zwischen 200 und 800 g/qm.
  • c) innige Verbindung zwischen Haupt- und Zwischenschicht.
2. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zwischenschicht zwischen mindestens zwei Hauptschichten befindet.
3. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zwischenschicht an der Ober- oder Unterseite einer Hauptschicht befindet.
4. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung von Halbzeugen aus innig verbundenen Haupt- und Zwischenschichten mit kontinuierlich arbeitenden Verfahren, vorzugsweise Doppelbandpressen und Kalandersysteme oder diskontinuierlich arbeitenden Verfahren, vorzugsweise Etagenpressen oder Autoklaven, erfolgt.
5. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Halbzeugdicke bei der Umformung durch Materialverdrängung infolge Fließvorgängen, Expansion oder Kompression in der Zwischenschicht erfolgen können.
6. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unverstärkter thermoplastischer Kunststoff in der Zwischenschicht in einer Dicke von 10 bis 1000 µm vorliegt.
7. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließfähigkeit des unverstärkten thermoplastischen Kunststoffs in der Zwischenschicht durch eine mindestens 15 Kelvin niedrigere Schmelztemperatur der kristallinen Phase bei teilkristallinen Thermoplasten oder durch eine mindestens 15 Kelvin niedrigere Glasübergangstemperatur bei amorphen Thermoplasten gegenüber den in den Hauptschichten verwendeten thermoplastischen Kunststoffen erreicht wird.
8. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff in der Zwischenschicht gegenüber den in den Hauptschichten verwendeten thermoplastischen Kunststoffen eine um mindestens 10% reduzierte oder erhöhte Viskosität aufweist.
9. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem in der Zwischenschicht eingesetzten Kunststoff um einen thermoplastischen Elastomer handelt.
10. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff in der Zwischenschicht durch einen verträglichen thermoplastischen Elastomer mit einem Volumenanteil zwischen 10 und 90% modifiziert wird.
11. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem in der Zwischenschicht eingesetzten Kunststoff um teilvulkanisiertes Elastomer handelt.
12. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in der Zwischenschicht durch Fasern vorzugsweise in der Form geschnittener Rovings, vernadelter oder nicht verna­ delter Fasermatten, oder Faservliesen erfolgt.
13. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht funktionale Aufgaben, bevorzugt, UV-Stabilität, Chemikalienbeständigkeit, Oberflächenqualität, Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit, akustische und thermische Dämpfungseigenschaften übernimmt.
14. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den eingesetzten thermoplastischen Kunststoffen vorzugsweise um Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol enthaltende Mehrphasenkunststoffe wie ABS Polyamide, thermoplastische Polyester, Polycarbonat enthaltende Polymermischungen wie PC/PBT, Polyphenylensulfid und Polyetherketone handelt.
15. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verstärkung vorzugsweise um Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Polyethylen- oder Polyesterfasern handelt.
16. Dickenadaptives Halbzeug nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Faservolumengehalt der Hauptschicht zwischen 30 und 70% liegt.
DE19738388A 1997-09-03 1997-09-03 Dickenadaptives, flächiges, textilverstärktes Halbzeug mit thermoplastischer Matrix Ceased DE19738388A1 (de)

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