DE202017003887U1

DE202017003887U1 - Sitzstrukturen

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Publication number: DE202017003887U1
Application number: DE202017003887.0U
Authority: DE
Original assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Current assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2027-07-22

Abstract

Sitzstruktur enthaltend wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug worin 1 bis 25 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m2 bis 3000 g/m2 aufweisen Und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1133 im Bereich von 1 cm3/10 min bis 100 cm3/10 min imprägniert ist, wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide, Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate, Polyphthalamide, Polymethylmethacrylate, Styrolacrylnitrile), Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, Thermoplastische Polyurethane und Polyoxymethylene ausgewählt wird, und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-% und einen Volumenanteil an Luft oder Gas von weniger als 15 Vol.-%, aufweist.

Description

Sitzstrukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft Sitzstrukturen enthaltend wenigstens ein einschichtiges, endlosfaserverstärktes Faser-Matrix-Halbzeug, das man durch Imprägnieren von Faserhalbzeugen mit wenigstens einem Thermoplasten erhält und deren Verwendung.
Stand der Technik
Im heutigen Fahrzeugbau existieren Bestrebungen, Struktur- wie auch Verkleidungsteile aus faserverstärktem Kunststoff auszubilden. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden generell im Fahrzeugbau dort eingesetzt, wo hohe Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert werden. Grundsätzlich umfassen FVKs Verstärkungsfasern, die in einer Matrix aus Kunststoff eingebettet sind. Die Fasern verleihen dem Bauteil seine mechanischen Eigenschaften. Dabei werden die höchsten mechanischen Eigenschaften erzielt, wenn die Fasern in gestreckter Lage in Richtung des Kraftflusses orientiert sind. Um bei ausreichend hohen mechanischen Eigenschaften das Bauteilgewicht weiter zu reduzieren, werden besonders dünnwandige Bauteile erzeugt, die nur an vorbestimmten Stellen verstärkt sind. Bei der Fertigung derartiger FVK basierter Bauteile ist jedoch mit hohem Aufwand sicherzustellen, dass die Verstärkungselemente ihre vorgestimmte Position nicht verlassen bzw. ungewollt verrutschen.
Aus DE 20 2007 000 484 U1 sind Unterkonstruktionen für Fahrzeugsitze unter anderem aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, um im Gegensatz zu Stahlblech basierten Sitzwannen, das üblicherweise arbeitsintensive Anbringen von Funktionselementen zu erleichtern. Statt diese Funktionselemente zusätzlich aufzuschweißen und/oder anzuschrauben, erlaubt eine Kunststoff basierte Sitzwanne durch Anpassung der Gussform schon bei ihrer Herstellung das Anbringen von Funktionselementen durch Ausgestaltung/Anpassung der Gussform.
EP 2272706 A2 beschreibt Sitzschalen bei denen mindestens ein zweiter Abschnitt aus einem widerstandsfähigen Verstärkungsmaterial gefertigt ist während die übrigen Bereiche aus kostengünstigem Basismaterial gefertigt werden. Bei dem kostengünstigen Basismaterial kann es sich um einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen, handeln, der kurzfaserverstärkt, insbesondere kurzglasfaserverstärkt, oder langfaserverstärkt, insbesondere langglasfaserverstärkt, ist. Ein solches Basismaterial lässt sich kostengünstig und einfach verarbeiten und durch Spritzguss oder im Heißpressverfahren gewinnen.
DE 10 2012 000 772 A1 beschreibt schließlich den Einsatz sogenannter Organobleche in Sitzschalen wobei es sich um langfaserverstärkte Kunststoffe handelt, die jedoch mit einem zweiten, kurzfaserverstärkten Material kombiniert werden müssen, um beispielsweise die Ränder der heißgepressten Organoblech Sitzschale einzubetten.
Die Maßgabe, den Verbrauch von Kraftstoffen fossiler Herkunft und die damit einhergehenden Emissionen von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, führte in den letzten Jahren in der Fahrzeugindustrie vermehrt zum Einbau von Faser-Matrix-Halbzeugen, auch als Composites, Faserverbund-Werkstoffe oder Organobleche bezeichnet, in Form von Strukturbauteilen.
Die Herstellung von Organoblechen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Composites oder Faser-Matrix-Halbzeuge bezeichnet, ist dem Fachmann bekannt. Allen gemein ist das Einbetten von Fasermaterialien/Faserhalbzeugen in eine Kunststoffmatrix. Übliche Einbettungsverfahren sind das (Spritz-)gießen gemäß DE 10 2008 052 000 A1 , Schäumen, (Fließ-)pressen, Verpressen harzgetränkter Gewebebahnen (Prepregs) gemäß EP 0291629 A2 , Pultrusion gemäß EP 2028231 A1 , Kalandrieren gemäß DE 10 2009 053 502 A1 oder Laminieren ( EP 1923420 A1 ). EP 1923420 A1 beschreibt den typischerweise geschichteten Aufbau von Organoblechen, wobei eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern über eine erste Faser-Matrix-Haftung mit der Matrix aus Kunststoff gekoppelt ist und eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern über eine zweite Faser-Matrix-Haftung mit der Matrix aus Kunststoff gekoppelt ist. Die zweite Faser-Matrix-Haftung ist geringer als die erste Faser-Matrix-Haftung ausgebildet. Durch die unterschiedliche Ausbildung der Faser-Matrix-Haftung soll im totalen Versagensfall ein verbessertes Bruchverhalten erzielt werden. Nachteilig jedoch an Faser-Matrix-Halbzeugen des Standes der Technik ist die nicht immer zufriedenstellende Haftung der Schichten untereinander innerhalb eines solchen Composites und insbesondere die nicht immer zufriedenstellende Haftung der Außenschichten an den tiefer gelegenen Schichten. Diese Haftung kann durch Temperatureinwirkung oder durch häufige Temperaturschwankungen bei gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung beeinträchtigt werden. Die Folge ist eine im Laufe der Zeit zumindest teilweise einsetzende Delamination der äußeren Schichten eines Composites.
So müssen moderne Sitzstrukturen mechanischer Beanspruchung bei gleichzeitig ständigem Wechsel von Außentemperaturen widerstehen, und vorzugsweise auch Tieftemperaturstabilität aufweisen, wenn die Sitzstrukturen in Fahrzeuge eingebaut sind, die in extrem kalten Klimazonen eingesetzt werden. Tiefe Temperaturen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Temperaturen ≤ –30°C.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Sitzstrukturen oder Sitzschalen auf Basis von Faser-Matrix-Halbzeugen bereitzustellen, die sowohl die hohen Anforderungen an den Leichtbau in Fahrzeugen erfüllen, mechanischer Beanspruchung und oftmaligem Temperaturwechsel bis hin zu Tieftemperaturstabilität widerstehen und nicht bzw. deutlich weniger zu Delamination neigen.
Erfindung
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Sitzstrukturen enthaltend wenigstens ein einschichtiges, Faser-Matrix-Halbzeug worin

– 1 bis 25 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, bevorzugt 1 bis 20 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, besonders bevorzugt 1 bis 18 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern,
– wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m² bis 3000 g/m², bevorzugt im Bereich von 100 g/m² bis 900 g/m², besonders bevorzugt im Bereich von 150 g/m² bis 750 g/m², aufweisen,
– und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1133 im Bereich von 1 cm³/10 min bis 100 cm³/10 min imprägniert ist,
– und der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide (PPO), Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate (PC), Polyphthalamide (PPA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Styrolacrylnitrile (SAN), Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPO), Thermoplastische Polyurethane (TPU) und Polyoxymethylene (POM) ausgewählt wird,
– und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, und
– einen Volumenanteil an Luft von weniger als 15 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 10 Vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Vol.-%, aufweist.

Vorzugsweise weisen erfindungsgemäß in Sitzstrukturen einzusetzende einschichtige Faser-Matrix-Halbzeuge eine Materialstärke im Bereich von 0,05 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 mm bis 1,0 mm, auf.
Zur Klarstellung sei angemerkt, dass vom Rahmen der Erfindung alle aufgeführten, allgemeineren oder in Vorzugsbereichen genannten Definitionen und Parameter in beliebigen Kombinationen umfasst sind.
Einschichtig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass es innerhalb des erfindungsgemäß einzusetzenden und zumeist zunächst in Plattenform vorliegenden Faser-Matrix-Halbzeugs, d. h. im Bereich zwischen oberer Oberfläche und unterer Oberfläche, keine Bereiche oder Abschnitte gibt, die einen Volumenanteil an Luft oder Gas oder einen Volumenanteil an Fasermaterialien außerhalb der oben genannten bzw. beanspruchten Bereiche aufweisen. Eine Unterscheidung zwischen Matrixharzzusammensetzung und Oberflächenharzzusammensetzung wie im Stand der Technik ist aufgrund des hohen Grades der Imprägnierung der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit Thermoplast und der einhergehenden oder sich anschließenden Konsolidierung nicht mehr möglich. Thermoplast im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet zudem beliebige Mischungen der vorgenannten Thermoplasten sowie Mischungen der vorgenannten Thermoplasten mit wenigstens einem Füll- und/oder Verstärkungsstoff oder Additiv, auch als Compounds bezeichnet. Alle im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Normen gelten in ihrer zum Anmeldetag gültigen Fassung, sofern nicht anders angegeben.
Die technische Überlegenheit einschichtiger Faser-Matrix-Halbzeuge wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung anhand des Rippenabzugtests mittels Kopfzugprobe belegt, wie sie dem Fachmann aus W. Siebenpfeiffer, Leichtbau-Technologien im Automobilbau, Springer-Vieweg, 2014, Seiten 118–120, bekannt, und wie im Beispielteil beschrieben ist.
Begriffsbestimmungen
Die Schmelze-Volumenfließrate (engl. MVR = Melt Volume-flow Rate) dient zur Charakterisierung des Fließverhaltens eines Thermoplasten bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen. Sie ist ein Maß für die Viskosität einer Kunststoffschmelze. Aus ihr lässt sich auf den Polymerisationsgrad, also die mittlere Anzahl von Monomereinheiten in einem Molekül schließen. Der MVR nach ISO 1133 wird mittels eines Kapillarrheometers ermittelt, wobei das Material, vorzugsweise in Form von Granulat oder Pulver, in einem beheizbaren Zylinder aufgeschmolzen und unter einem durch die Auflagelast entstehenden Druck durch eine definierte Düse, vorzugsweise Kapillare, gedrückt wird. Ermittelt wird das austretende Volumen bzw. Masse der Polymerschmelze, des sogenannten Extrudats, als Funktion der Zeit. Ein wesentlicher Vorteil der Schmelze-Volumenfließrate liegt in der einfachen Messung des Kolbenwegs bei bekanntem Kolbendurchmesser zur Bestimmung des ausgetretenen Schmelzevolumens. Die Einheit für den MVR ist cm³/10 min.
Compoundieren bzw. Compound ist ein Begriff aus der Kunststofftechnik, welcher mit Kunststoffaufbereitung gleichzusetzen ist und den Veredelungsprozess von Kunststoffen durch Beimischung von Zuschlagstoffen, insbesondere Füllstoffe, Additive usw., zur gezielten Optimierung der Eigenschaftsprofile beschreibt. Die Compoundierung erfolgt vorzugsweise in Extrudern und umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Mischen, Entgasen und Druckaufbau. Das Dispergieren erfolgt vorzugsweise mittels eines Schmelzmisch-Verfahrens in wenigstens einem Mischwerkzeug. Mischwerkzeuge sind vorzugsweise Einzel- oder Doppelschneckenextruder oder Banbury-Mischer. Die einzelnen Komponenten einer Thermoplastzusammensetzung werden in wenigstens einem Mischwerkzeug, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich um den Schmelzpunkt des wenigstens einen Thermoplasten in der Thermoplastzusammensetzung gemischt und als Strang ausgetragen. Üblicherweise wird der Strang bis zur Granulierfähigkeit abgekühlt und dann granuliert. Der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung liegt in der Regel schließlich als Granulat, Flakes oder in Form anderer makroskopischer Teile vor.
Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe „über”, „bei” oder „etwa” sollen bedeuten, dass der danach genannte Betrag oder Wert der konkrete Wert oder ein etwa gleicher Wert sein kann. Der Ausdruck soll vermitteln, dass ähnliche Werte zu erfindungsgemäß gleichwertigen Ergebnissen oder Effekten führen und von der Erfindung mit umfasst werden.
Eine „Faser” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein makroskopisch homogener Körper mit hohem Verhältnis von Länge zu seiner Querschnittsfläche. Der Faserquerschnitt kann eine beliebige Form sein, ist aber in der Regel rund oder oval.
Gemäß „http://de.wikipedia.org/wiki/Faser-Kunststoff-Verbund” unterscheidet man

– geschnittene Fasern, auch als Kurzfasern bezeichnet, mit einer Länge im Bereich von 0,1 bis 1 mm,
– Langfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 50 mm und
– Endlosfasern mit einer Länge L > 50 mm.

Faserlängen können beispielsweise durch Microfokus-Röntgen-Computertomographie (μ-CT) bestimmt werden; J. Kastner et. al., Quantitative Messung von Faserlängen und -verteilung in faserverstärkten Kunststoffteilen mittels μ-Röntgen-Computertomographie, DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 47, Seiten 1–8. Erfindungsgemäß einzusetzende Faser-Matrix-Halbzeuge enthalten Endlosfasern. In einer Ausführungsform können sie zusätzlich zu den Endlosfasern Langfasern enthalten.
Der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff „Faserhalbzeuglagen” bedeutet ein Material, das vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe Gewebe, Gelege einschließlich Multiaxialgelege, Gesticke, Geflechte, Vliese, Filze, und Matten, oder aber das in Form unidirektionaler Faserstränge vorliegt. Ferner bedeutet Faserhalbzeuglagen erfindungsgemäß auch ein Gemisch oder Kombinationen aus zwei oder mehr der in diesem Abschnitt genannten Materialien.
Zur Herstellung von Faserhalbzeuglagen sind die zu verwendenden Fasern in der Weise miteinander verbunden, dass zumindest eine Faser oder ein Faserstrang mindestens eine andere Faser oder einen anderen Faserstrang berührt, um ein kontinuierliches Material zu bilden. Oder aber, die zur Herstellung der Faserhalbzeuglagen verwendeten Fasern berühren einander in der Weise, dass eine kontinuierliche Matte, Gewebe, Textil oder ähnliche Struktur gebildet wird.
Der Begriff „Flächengewicht” bezeichnet die Masse eines Materials in Abhängigkeit von der Fläche und bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die trockene Faserschicht. Das Flächengewicht wird nach DIN EN ISO 12127 bestimmt.
„Imprägniert” bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der wenigstens eine Thermoplast oder ggf. die Thermoplastzusammensetzung in die Vertiefungen und Hohlräume der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen eindringt und das Fasermaterial benetzt. „Konsolidiert” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass in der Verbundstruktur ein Luftanteil von weniger als 15 Vol.-% vorliegt. Imprägnierung (Benetzung des Fasermaterials durch die Polymer-Zusammensetzung) und Konsolidierung (Minimieren des Anteils eingeschlossener Gase) können gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen und/oder durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben folgende Zeichen die jeweilige Bedeutung: ≥ bedeutet größer oder gleich, ≤ bedeutet kleiner oder gleich, > bedeutet größer als, < bedeutet kleiner als.
Zur Klarstellung sei angemerkt, dass die Einschichtigkeit durch die Gesamtheit der Merkmale hinsichtlich der Faserhalbzeuglagen, deren Flächengewicht, des Polyamid-Compounds, dem Volumenanteil an Fasern sowie dem Volumenanteil an Luft oder Gas in Bezug auf das gesamte Faser-Matrix-Halbzeug, d. h. im Bereich der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche, definiert ist. Ein erfindungsgemäß einzusetzendes Faser-Matrix-Halbzeug zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass diese Merkmale durch den Imprägnierprozess und durch die Konsolidierung einheitlich in selbigem vorliegen. Mit einheitlicher Imprägnierung bzw. Konsolidierung wird insbesondere die Tatsache beschrieben, dass es innerhalb des erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeugs, d. h. im Bereich zwischen beiden Oberflächen, keine Bereiche oder Abschnitte gibt, die einen Volumenanteil an Luft oder Gas oder einen Volumenanteil an Fasermaterialien außerhalb der oben genannten bzw. beanspruchten Bereiche aufweisen, wobei insbesondere der Bereich zwischen Oberfläche bis in eine Tiefe von 50 μm von Relevanz ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Vorzugsweise wird für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Sitzstruktur das Faser-Matrix-Halbzeug als plattenförmige Endlosware bereitgestellt. Solche plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeuge können einfach auf die gewünschte Endkontur zugeschnitten werden, so dass wenig Material beim Zuschnitt verloren geht.
Faser-Matrix-Halbzeuge sind Gegenstand umfangreicher Forschungen und werden beispielsweise in Composites Technologien, Die Verarbeitung von FV-Thermoplasten, ETH Zürich IMES-ST, Kapitel 9, Version 3.0, Oktober 2004, beschrieben. Während die Fasern in Faser-Matrix-Halbzeugen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften eines solchen Verbunds, wie Festigkeit und Steifigkeit, bestimmen, überträgt die Polymermatrix die Kräfte zwischen den Fasern, stützt die Fasern gegen Ausknicken und schützt sie vor äußeren Angriffen. Die Fasern können einerseits in nur eine Richtung orientiert sein (unidirektional, z. B. als Band [engl. „Tape”]), in zwei Richtungen rechtwinklig zueinander stehen (orthotrop oder balanciert), oder quasi-isotrop in jedem gewünschten Winkel zueinander platziert werden. Endlosfasern haben den Vorteil, dass sie sehr gestreckt mit hohem Orientierungsgrad und dadurch in größeren Mengen in die Polymermatrix eingebracht werden können. Außerdem ermöglichen sie den Kraftfluss zwischen Krafteinleitungspunkten innerhalb von Faser-Matrix-Halbzeugen allein über die Fasern, was die mechanische Leistungsfähigkeit eines Bauteils auf Basis solcher endlosfaserverstärkter Faser-Matrix-Halbzeuge steigert.
Erfindungsgemäß einzusetzende Faser-Matrix-Halbzeuge werden durch Imprägnieren der erfindungsgemäß einzusetzenden Faserhalbzeuge aus Endlosfasern hergestellt. Die Erfindung betrifft deshalb auch ein Verfahren zur Herstellung einer Sitzstruktur, indem wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug einem Formgebungsprozess unterzogen, anschließend ausgehärtet und der Negativform einer Sitzstruktur entnommen wird.
Vorzugsweise wird der Herstellungsprozess des Faser-Matrix-Halbzeugs mit dem Formgebungsprozess kombiniert. In diesem Fall werden vor dem Formgebungsschritt die Verfahrensschritte des Bereitstellens der Edukte, des Auftrags von Thermoplast bzw. Thermoplastzusammensetzung, des Imprägnierens und Konsolidierens und gegebenenfalls Solidifizierens der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast oder mit einer Thermoplastzusammensetzung vorangestellt. Bevorzugt enthält der Gesamtprozess die Prozessschritte

a) Bereitstellen wenigstens eines Thermoplasten oder Bereitstellen einer Thermoplastzusammensetzung,
b) Bereitstellen von Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern,
c) Auftragen des wenigstens einen Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen,
d) Imprägnieren der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung,
e) Entlüftung der mit wenigstens einem Thermoplast bzw. Thermoplastzusammensetzung imprägnierten Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen und Entfernen des Thermoplastharzüberschusses (Konsolidieren),
f) Formgebung zur Sitzstruktur,
g) Härtung der Sitzstruktur aus wenigstens mit einem Thermoplast bzw. Thermoplastzusammensetzung imprägnierten und konsolidierten Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen (Solidifikation) und Entnahme aus der Form.

In einer Ausführungsform kann sich an den Verfahrensschritt g) noch der Verfahrensschritt h) Temperung anschließen.
In einer Ausführungsform kann sich an den Verfahrensschritt g) oder an den Verfahrensschritt h) noch der Verfahrensschritt i) eine Nachbehandlung der Sitzstruktur anschließen.
Vorzugsweise wendet man bei der Imprägnierung ein Laminierverfahren an. In einer Ausführungsform können zusätzlich zu den Endlosfasern noch Langfasern und/oder Kurzfasern im erfindungsgemäß einzusetzenden einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug enthalten sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für halbkontinuierliche oder kontinuierliche Pressverfahren, vorzugsweise in Doppelbandpressen, Intervallheizpressen oder in kontinuierlichen Formpressen, geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch schnelle Imprägnierung und hohe Produktivität aus und erlaubt Faser-Matrix-Halbzeuge und damit Sitzstrukturen in hohen Raten und geringem Anteil an Poren oder Lufteinschlüssen in einem einzigen Prozess zu erzeugen.
Als Form für den Formgebungsprozess zur Sitzstruktur dient eine vorzugsweise aus Metall gefertigte Negativform mit wenigstens einem Hohlraum, der die zu formende Sitzstruktur entsprechend der vom Auftraggeber vorgegebenen Form abbildet. Vorzugsweise und zur einfacheren Entnahme der fertigen Sitzstruktur besteht die Form aus wenigstens zwei Teilen.
Verfahrensschritt a)
Erfindungsgemäß wird als Thermoplast ein Thermoplast aus der Gruppe Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polymilchsäuren (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM) und Polystyrol (PS) ausgewählt bzw. als Basiskomponente für die Thermoplastzusammensetzung eingesetzt.
Bevorzugte Vinylpolymerisate sind auszuwählen aus der Gruppe Polyvinylhalogenide, Polyvinylester und Polyvinylether.
Bevorzugte Polyolefine sind Polyethylen [CAS Nr. 9002-88-4] oder Polypropylen [CAS Nr. 9003-07-0].
Bevorzugte Polyester sind Polyethylenterephthalat PET [CAS Nr. 25038-59-9] oder Polybutylenterephthalat PBT [CAS Nr. 24968-12-5].
Bevorzugte Polycarbonate sind solche auf Basis von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan (Bisphenol A), Bis(4-hydroxyphenyl)sulfon (Bisphenol S), Dihydroxydiphenylsulfid, Tetramethylbisphenol A, 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan (BPTMC) oder 1,1,1-Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan (THPE). Besonders bevorzugt wird ein PC auf Basis von Bisphenol A eingesetzt.
PPA sind partiell aromatische Polyamide bzw. halb kristalline aromatische Polyamide, bei denen die Amidgruppen abwechselnd an aliphatische Gruppen und an Benzoldicarbonsäuren Gruppen gebunden sind. Bevorzugt sind die Amidgruppen an Therephthalsäuregruppen gebunden. Erfindungsgemäß besonders bevorzugte PAAs sind PA 6T, PA 10T oder PA 12T.
Besonders geeignet sind Polyamide mit einer relativen Lösungsviskosität in m-Kresol im Bereich von 2,0 bis 4,0, bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 3,5, ganz besonders im Bereich von 2,4 bis 3,1. Die Messung der relativen Lösungsviskosität η_rel erfolgt in Anlehnung an EN ISO 307. Das Verhältnis der Auslaufzeit t des in m-Kresol gelösten Polyamids zur Auslaufzeit t(0) des Lösungsmittels m-Kresol bei 25°C ergibt die relative Lösungsviskosität gemäß der Formel η_rel = t/t(0).
Besonders bevorzugte Polyamide sind auszuwählen aus der Gruppe PA 66, PA 6 und PA 12. Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung benutzte Kennzeichnung der Polyamide entspricht EN ISO 1874-1:2010, teilweise inzwischen ersetzt durch ISO 16396-1:2015, wobei die erste(n) Ziffer(n) die C-Atomzahl des Ausgangsdiamins und die letzte(n) Ziffer(n) die C-Atomzahl der Dicarbonsäure angeben. Wird nur eine Zahl angegeben, wie im Falle des PA6, so bedeutet dies, dass von einer α,ω-Aminocarbonsäure bzw. von dem davon abgeleiteten Lactam, im Falle des PA 6 also dem ε-Caprolactam, ausgegangen worden ist.
Besonders bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast aus der Gruppe PA 66 [CAS Nr. 32131-17-2], PA 6 [CAS Nr. 25038-54-4], PA 12, PPA, Polypropylen (PP), Polyphenlyensulfid (PPS), TPU und PC für die Kunststoffmatrix des Faser-Matrix-Halbzeugs ausgewählt.
Ganz besonders bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast aus der Gruppe TPU, PA 6 und PC ausgewählt, insbesondere bevorzugt PA 6.
Die im einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug für Sitzstrukturen einzusetzenden Thermoplaste können auch in verschiedensten Kombinationen miteinander eingesetzt werden, bevorzugt wird eine Kombination von PC/ABS (ABS [CAS Nr. 9003-56-9]) eingesetzt.
Insbesondere bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast in flammgeschützter Form für die Kunststoffmatrix bzw. als Matrixpolymer des Faser-Matrix-Halbzeugs eingesetzt. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für Polyamid basierte Faser-Matrix-Halbzeuge werden in EP 1762592 A1 , EP 2060596 A1 , EP 2028231 A1 , JP 2010 222486 A oder EP 2410021 A1 beschrieben, deren Inhalte von der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich mit umfasst werden. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für Polycarbonat basierte Faser-Matrix-Halbzeuge werden in EP 3020752 A1 beschrieben. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für TPU basierte Faser-Matrix-Halbzeuge werden in der WO 2013/087733 A2 beschrieben. Bevorzugt werden auf 100 Gewichtsteile Thermoplast, insbesondere Polyamid, 0,001 bis 20 Gewichtsteile Flammschutzadditiv eingesetzt.
Abgesehen von Flammschutzadditiven kann der Thermoplast alternativ oder zusätzlich weitere Additive enthalten, vorzugsweise wenigstens einen Thermostabilisator. Bevorzugte Thermostabilisatoren sind Metall basierte Stabilisatoren, vorzugsweise auf Basis von Kupfer oder Eisen, oder organische Thermostabilisatoren, insbesondere polyhydrische Alkohole. Bevorzugte Kupferstabilisatoren sind Kupfer(I)halogenide, insbesondere Kupferbromid oder Kupferiodid, die vorzugsweise in Kombination mit wenigstens einem Alkalimetallhalogenid eingesetzt werden, vorzugsweise Kaliumbromid oder Kaliumiodid. Bevorzugte Eisen basierte Thermostabilisatoren sind Eisenpulver, Eisenoxide oder Eisensalze organischer Säuren, insbesondere Eisencitrat oder Eisenoxalat. Bevorzugt einzusetzender polyhydrischer Alkohol ist Dipentyerthrit. In einer Ausführungsform können im Thermoplasten bzw. in der Thermoplastzusammensetzung auch Mischungen der genannten Thermostablisatoren eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die genannten Thermostabilisatoren in Polyamid eingesetzt. Besonders bevorzugt werden auf 100 Gewichtsteile Thermoplast, insbesondere Polyamid, 0,001 bis 20 Gewichtsteile Thermostabilisator eingesetzt.
Weitere Additive im erfindungsgemäß einzusetzenden Thermoplasten zur Herstellung einer Thermoplastzusammensetzung für das in einer Sitzstruktur erfindungsgemäß einzusetzende, einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug sind aber auch die bereits oben beschriebenen Kurzglasfasern sowie andere Füll- oder Verstärkungsstoffe, vorzugsweise auszuwählen aus der Gruppe Kohlenstofffasern, Glaskugeln, amorphe Kieselsäure, Calciumsilikat, Calciummetasilikat, Magnesiumcarbonat, Kaolin, Kreide, gepulverter Quarz, Glimmer, Bariumsilikat, Wollastonit, Montmorillonit, Böhmit, Bentonit, Vermiculit, Hektorit, Laponit, Ruß und Feldspat. Ferner können sterisch gehinderte Phenole, Antioxidantien, Farbstoffe, Oxidationsverzögerer, Entformungsmittel, Keimbildungsmittel, Weichmacher oder Schlagzähmodifikatoren als Additiv eingesetzt werden. Bevorzugte Schlagzähmodifikatoren sind kautschukelastische Polymerisate.
Vorzugsweise werden die Kurzglasfasern sowie die gegebenenfalls anderen Füll- und Verstärkungsstoffe oder Additive im Thermoplasten dispergiert oder compoundiert, bevor der Auftrag auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen zwecks Herstellung eines erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs erfolgt. Das Dispergieren erfolgt vorzugsweise mittels Schmelzmischverfahren. Für ein solches Schmelzmischverfahren einzusetzende Mischwerkzeuge sind vorzugsweise Einzel- oder Doppelschneckenextruder oder Banbury-Mischer. Die Additive werden entweder alle auf einmal in einer einzigen Stufe, oder schrittweise und dann in der Schmelze vermischt. Beim schrittweise Hinzufügen der Additive zum wenigstens einen Thermoplasten wird zunächst ein Teil der Additive zum Thermoplast gegeben und in der Schmelze vermischt. Anschließend werden weitere Additive zugegeben und dann solange gemischt, bis eine homogene Zusammensetzung erhalten wird.
Verfahrensschritt b)
Vorzugsweise basieren die Faserhalbzeuglagen im erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug auf Glasfasern und/oder Carbonfasern, besonders bevorzugt Glasfasern. Für Glasfasern werden vorzugsweise silikatische oder nichtsilikatische Gläser eingesetzt. Neben den Glasfasern können in der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen zusätzlich auch andere Fasern enthalten sein, besonders bevorzugt aus der Gruppe Kohlenstoff, Bor, Aramid, Siliciumcarbid, Metalllegierungen, Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metalle und Silikate sowie organische Materialien, insbesondere natürliche oder synthetische Polymere, vorzugsweise Polyester, Polyamide oder Naturfasern, insbesondere Baumwolle oder Cellulose sowie deren Kombinationen.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden Endlosfasern in Kombination mit wenigstens 10 mm langen Langfasern eingesetzt. Die Endlosfasern liegen in den Faserhalbzeuglagen vorzugsweise als Rovings, Stränge, Garne, Zwirne oder Seile vor, besonders bevorzugt als Rovings.
Unter Endlosfasern, auch als endlose Verstärkungsfasern bezeichnet, werden solche verstanden, die wie oben beschrieben im Allgemeinen eine Länge von über 50 mm aufweisen, im Speziellen aber solche, deren Länge etwa der Längenausdehnung der jeweils zu erzeugenden Sitzstruktur entspricht.
Vorzugsweise weisen die Endlosfasern Filamentdurchmesser im Bereich von 0,5 μm bis 25 μm auf. Die Bestimmung von Filamentdurchmessern und Querschnittsflächen von Filamentgarnen aus Glas, Aramid oder Carbon erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß DIN 65571-1:1992-11. Der mittlere Filamentdurchmesser wird nach Entfernung eventueller Schlichten gemessen. Die Bestimmung von Filamentdurchmesser und Querschnittsfläche von Filamentgarnen erfolgt gemäß DIN 65571 mittels optischer Verfahren entweder mit Lichtmikroskop und Mikrometerokular (Distanzmessung Zylinderdurchmesser) oder mit Lichtmikroskop und Digitalkamera mit anschließender Planimetrie (Querschliffmessung) oder durch Laserinterferometrie oder durch Projektion. Alternativ kann der mittlere Filamentdurchmesser von Glasfasern gemäß ISO 1888 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform sind die gegebenenfalls zusätzlich zu den Endlosfasern im Faser-Matrix-Halbzeug enthaltenen Langglasfasern von flacher Gestalt mit nicht kreisförmiger Querschnittsfläche, wobei das Verhältnis der senkrecht aufeinander stehenden Querschnittsachsen größer oder gleich 2 ist, insbesondere größer oder gleich 3 ist, und die kleinere Querschnittsachse eine Länge von ≥ 3 μm aufweist. Es wird insbesondere eine im Querschnitt möglichst rechteckige Langglasfaser bevorzugt, bei der das Verhältnis der Querschnittsachsen größer 3, insbesondere größer oder gleich 3,5 ist.
Die vorzugsweise ebenfalls als Roving einzusetzenden Langglasfasern weisen einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 20 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 μm, auf.
Besonders bevorzugt werden flache Langglasfasern mit einem Verhältnis der Querschnittsachsen im Bereich von 3,5 bis 5,0 eingesetzt.
Insbesondere bevorzugt werden sowohl für die Endlosfasern als auch für die Langglasfasern E-Glasfasern eingesetzt. In einer Ausführungsform werden neben den E-Glasfasern zusätzlich noch S-Glasfasern eingesetzt, da diese gegenüber den E-Glasfasern eine um 30% höhere Zugfestigkeit aufweisen. Es können aber auch alle anderen Glasfasern, wie A-, C-, D-, M- oder R-Glasfasern oder beliebige Mischungen davon oder Mischungen mit E- und/oder S-Glasfasern eingesetzt werden. E-Glas weist folgende Eigenschaften auf: Dichte 2,6 g/cm³ bei 20°C, Zugfestigkeit 3400 MPa, Zug-E-Modul 73 GPa, Bruchdehung 3,5–4%.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern verleihen der Sitzstruktur die gewünschten mechanischen Eigenschaften. Sie können in ihrer Struktur, aber auch in ihrer Anzahl, an zu erwartende Belastungen in der Sitzstruktur angepasst werden, so dass diese für reale Lastfälle eine optimale Festigkeit und/oder Steifigkeit aufweist.
Die Faserhalbzeuglagen im erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug bilden dabei keine von der Polymermatrix separaten Schichten wie im Stand der Technik aus, sondern werden von dieser durchdrungen, so dass Fasern und Polymer ein integrales Bauteil bilden.
Insbesondere ist es vorteilhaft wenn die Faserhalbzeuglagen in Form gewebter oder nichtgewebter Strukturen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Faserhalbzeuglagen auf Basis von Geweben, Gelegen einschließlich Multiaxialgelegen, Gesticken, Geflechten, Vliesen, Filze, Matten, ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Materialien, und Kombinationen davon eingesetzt.
Vliese können mit zufälliger Faserausrichtung oder mit ausgerichteten Faserstrukturen ausgewählt werden. Zufällige Faserorientierungen finden sich vorzugsweise in Matten, in genadelten Matten oder als Filz. Ausgerichtete faserige Strukturen finden sich vorzugsweise in unidirektionalen Fasersträngen, bidirektionalen Fasersträngen, multidirektionalen Fasersträngen, multiaxialen Textilien. Vorzugsweise sind erfindungsgemäß einzusetzende Faserhalbzeuglagen unidirektionale Gelege oder Gewebe, insbesondere Gewebe.
Besonders bevorzugt werden Glasfasern mit Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder Graphitfasern bezeichnet, kombiniert. Durch Austausch eines Teils der Glasfasern durch Carbonfasern entsteht ein hybridfaserverstärktes Faser-Matrix-Halbzeug, dessen Steifigkeit im Vergleich zu einem reinen Glasfaser basierten Faser-Matrix-Halbzeug, erhöht ist.
Der Gehalt an Carbonfasern in einem erfindungsgemäß für Sitzstrukturen einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 Vol.-% bis 30 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-%, bezogen auf den Gesamtfasergehalt, wobei der Gesamtfasergehalt im erfindungsgemäß einzusetzenden Faser-Matrix-Halbzeug im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-% liegt.
Das Fasermaterial oder auch Fasergeflecht in den Faserhalbzeuglagen kann nur in einer Richtung orientiert oder in zwei Richtungen in beliebigem Winkel zueinander, bevorzugt rechtwinklig zueinander orientiert sein.
Um eine bessere Verträglichkeit der Endlosfasern mit dem wenigstens einen Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung zu erhalten, werden diese vorzugsweise mit einer Silanverbindung an ihrer Oberfläche vorbehandelt. Besonders bevorzugt sind Silanverbindungen der allgemeinen Formel (I) (X-(CH₂)_q)_k-Si-(O-CrH_2r+1)_4-k (I) worin
X für NH₂-, Carboxyl-, HO- oder
steht,
q für eine ganze Zahl von 2 bis 10, bevorzugt 3 bis 4 steht,
r für eine ganze Zahl von 1 bis 5, bevorzugt 1 bis 2 steht und
k für eine ganze Zahl von 1 bis 3, bevorzugt 1 steht.
Insbesondere bevorzugt sind Silanverbindungen aus der Gruppe Aminopropyltrimethoxysilan, Aminobutyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Aminobutyltriethoxysilan sowie die entsprechenden Silane, welche als Substituent X in Formel (I) eine Glycidyl- oder eine Carboxylgruppe enthalten, wobei Carboxylgruppen insbesondere ganz besonders bevorzugt sind.
Die Ausrüstung der Glasfasern mit wenigstens einer Silanverbindung gemäß Formel (I), erfolgt bevorzugt in Mengen von 0,05 bis 2 Gewichtsteilen Silanverbindung auf 100 Gewichtsteile Glasfaser.
Vorzugsweise enthalten die Faserhalbzeuglagen keine zerkleinerten Fasern oder Teilchen, insbesondere keine Kurzfasern mit einer Länge im Bereich von 0,1 bis 1 mm.
Vorzugsweise werden Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern eingesetzt, besonders bevorzugt aus Glasfasern.
In einer Ausführungsform werden für den Verfahrensschritt b) die Faserhalbzeuglagen als Rollenware bereitgestellt.
Verfahrensschritt c)
Für den Auftrag auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen wird der wenigstens eine Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung als Granulat, Pulver, Flakes, Folie oder in Form anderer makroskopischer Teile, in Form einer Schmelze oder in Form einer Dispersion in einem Lösungsmittel vorgelegt. Besonders bevorzugt werden Pulver oder Folien. Erfindungsgemäß bevorzugt ist der Pulverauftrag oder Auftrag in Form eines Films, insbesondere der Pulverauftrag.
Der Auftrag des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen im Verfahrensschritt c) erfolgt mittels konventioneller Mittel, vorzugsweise durch Streuen, Rieseln, Drucken, Spritzen, Sprühen, Tränken, Benetzen im Schmelzebad, thermisches Spritzen oder Flammspritzen, oder durch Fließbett-Beschichtungsverfahren. In einer Ausführungsform können mehrere Thermoplastschichten bzw. Schichten einer oder verschiedener Thermoplastzusammensetzungen auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird der Thermoplast bzw. die Thermoplast-Zusammensetzung in Form einer Folie auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern aufgetragen.
Vorzugsweise erfolgt der Auftrag des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen in Mengen woraus ein nach DIN 1310 definierter Volumenanteil an Fasermaterialien im Faser-Matrix-Halbzeug im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, resultiert.
In einer Ausführungsform kann dem Auftrag ein Sinterschritt folgen, bei dem der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung auf der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen gesintert wird. Durch das Sintern, gegebenenfalls unter Druck, wird der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung erhitzt, wobei die Temperatur jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des jeweils einzusetzenden Thermoplasten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Thermoplastpartikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume in der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgefüllt werden.
Verfahrensschritt d)
Anschließend wird die beaufschlagte Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen im Verfahrensschritt d) dem Einfluss von Druck und Temperatur unterzogen. Vorzugsweise erfolgt dies unter Vorwärmen der mit Polymer bzw. mit der Polymerzusammensetzung beaufschlagten Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen, auch als Fasermaterial bezeichnet, außerhalb des Druckzone.
Im Verfahrensschritt d) wird die mit Thermoplast bzw. Thermoplastzusammensetzung beaufschlagte Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgeheizt, um die Imprägnierung und Konsolidierung des Fasermaterials einzuleiten. Durch den Einfluss von Druck und Wärme schmilzt der wenigstens eine Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung und durchdringt die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen, die sie somit imprägniert. Vorzugsweise werden dabei Drücke im Bereich von 2 bis 100 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 40 bar, angewandt.
Die in Verfahrensschritt d) anzuwendende Temperatur ist ≥ der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung. In einer Ausführungsform liegt die anzuwendende Temperatur mindestens 10°C über der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten. In einer weiteren Ausführungsform liegt die anzuwendende Temperatur mindestens 20°C über der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten. Die Beheizung kann durch eine Vielzahl von Mitteln erfolgen, vorzugsweise Kontaktheizung, strahlende Gasheizung, Infrarotheizung, Konvektion oder erzwungene Konvektion, Induktionsheizung, Mikrowellenheizung oder Kombinationen davon. Im unmittelbaren Anschluss daran oder gleichzeitig erfolgt die Konsolidierung.
Die Imprägnierung ist insbesondere abhängig von den Parametern Temperatur und Druck. In einer Ausführungsform ist Verfahrensschritt d) zusätzlich noch von der Zeit abhängig.
Zur Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften ist im Verfahrensschritt d) eine möglichst vollständige Imprägnierung der Filamente des Fasermaterials mit dem wenigstens einen Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung wünschenswert. Es wurde gefunden, dass bei Anwesenheit von Fasermaterial aus Glasfasern eine schnelle Imprägnierungsrate von Fasermaterial aus Carbonfasern erfolgt, was zu einem insgesamt schnelleren Gesamtherstellungszyklus einschichtiger Faser-Matrix-Halbzeuge führt, die sowohl Glas-, als auch Carbonfasern enthalten.
Das Prinzip des Imprägnierens besteht im Tränken einer trockenen Faserstruktur mit einer Matrix aus Polymer bzw. Polymerzusammensetzung. Das Durchströmen des Faserhalbzeugs ist mit dem Fließen eines inkompressiblen Fluids durch ein poröses Grundmedium vergleichbar. Die Strömung wird mit Hilfe der Navier-Stokes Gleichung beschrieben: ρ dv / dt = –∇P + η∇²v worin ρ die Dichte, v den Geschwindigkeitsvektor, ∇P den Druckgradienten und η die Viskosität des verwendeten Fluids dar. Geht man davon aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Polymers bzw. Polymerzusammensetzung – auch als Matrix bezeichnet – in der Verstärkungsstruktur als gering einzustufen ist, können die Trägheitskräfte in obiger Gleichung (deren linke Seite) vernachlässigt werden. Folglich vereinfacht sich die Gleichung zu der als Stokes-Gleichung bekannten Form: 0 = –∇P + η∇²v
Verfahrensschritt e)
Zeitgleich zur Imprägnierung oder im Anschluss an die Imprägnierung findet die Konsolidierung statt, worunter man das Exprimieren von eingeschlossener Luft und anderer Gase versteht. Auch die Konsolidierung ist insbesondere abhängig von den Parametern Temperatur und Druck sowie gegebenenfalls von der Zeit.
Die Gase enthalten Gas der Umgebung (z. B. Luft oder Stickstoff) und/oder Wasser (Dampf) und/oder thermische Zersetzungsprodukte des einzusetzenden wenigstens einen Thermoplasten.
Auch die Konsolidierung ist abhängig von den Parametern Temperatur und Druck. In einer Ausführungsform ist Verfahrensschritt e) zusätzlich noch von der Zeit abhängig.
Vorzugsweise werden die genannten Parameter angewandt, bis das Faser-Matrix-Halbzeug einen Hohlraumgehalt von weniger als 5% aufweist. Besonders bevorzugt wird angestrebt, dass der Hohlraumgehalt von weniger als 5% innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 10 Minuten, bei Temperaturen oberhalb 100°C erzielt wird, besonders bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 350°C. Vorzugsweise werden Drücke oberhalb von 20 bar angewandt.
Die Druckbeaufschlagung kann durch ein statisches Verfahren oder durch ein kontinuierliches Verfahren (auch als dynamischer Prozess bekannt) erfolgen, wobei ein kontinuierliches Verfahren aus Geschwindigkeitsgründen bevorzugt ist. Bevorzugte Imprägnierungstechniken umfassen ohne Einschränkung Kalander, Flachbett-Laminierung und Doppelbandpresse-Laminierung. Bevorzugt wird der Imprägnierschritt als Laminierverfahren durchgeführt. Wenn das Imprägnieren als Laminieren durchgeführt wird, ist vorzugsweise eine gekühlte Doppelbandpresse (siehe auch EP 0 485 895 B1 ) oder eine Intervallheizpresse einzusetzen.
Beide Eigenschaften, den Grad der Imprägnierung in Verfahrensschritt d) und der Konsolidierung in Verfahrensschritt e) lassen sich durch die Bestimmung mechanischer Kennwerte messen bzw. überprüfen, insbesondere durch Messung der Zugfestigkeit an Verbundstrukturprobekörpern. Zur Ermittlung der Zugfestigkeit dient der Zugversuch, ein quasistatisches, zerstörendes Prüfverfahren, im Falle von Kunststoffen nach ISO 527-4 oder -5.
Da sowohl der Vorgang der Imprägnierung als auch der Vorgang der Konsolidierung von den Parametern Temperatur und Druck abhängig sind, wird der Fachmann diese Parameter dem jeweils einzusetzenden Thermoplasten bzw. an die Thermoplastzusammensetzung anpassen. Zudem wird er auch den Zeitraum, über den der Druck angewandt wird, entsprechend dem Matrixpolymer anpassen.
Verfahrensschritt f) & g)
Nach dem Verfahrensschritt e) sind innerhalb eines erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs die Fasern mit Thermoplast bzw. mit Thermoplastzusammensetzung vollständig imprägniert und konsolidiert, d. h. die Fasern sind vollständig mit Kunststoff benetzt, es befindet sich nahezu keine Luft oder Gas im Material.
Zur Solidifikation in Verfahrnesschritt g) lässt man die Faserverbundstruktur bzw. das Faser-Matrix-Halbzeug auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung abkühlen. Der Begriff der Solidifikation beschreibt das Erstarren des Gemisches aus der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen und schmelzflüssiger Matrix durch Abkühlen oder durch chemische Vernetzung zu einem Festkörper.
In einer Ausführungsform werden nach dem Verfahrensschritt e) die Verfahrensschritte f) Formgebung und g) die Solidifikation gleichzeitig oder zumindest kurz hintereinander durchgeführt.
In einer Ausführungsform erfolgt beim Einsatz einer Doppelbandpresse eine Solidifikation und eine Formgebung des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs vorzugsweise zu Plattenware. In diesem Fall wird das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug nach dem Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung, vorzugsweise auf Raumtemperatur (23 +/– 2°C), in Form von Plattenware dem Presswerkzeug entnommen. Die Umformung zur Sitzstruktur erfolgt dann durch erneutes Erwärmen bzw. Plastifizieren der oben beschriebenen Art und durch anschließende Formgebung. Vorzugsweise werden dabei kurze Zykluszeiten angewandt. Entscheidend ist, dass während der Umformung das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug keine chemische Umwandlung erfährt.
Bei der Herstellung solcher thermoplastischer FKV-Plattenhalbzeuge wird in Abhängigkeit von den zu erzielenden Materialdurchsätzen in Film-Stacking-, Prepreg- und Direktverfahren unterschieden. Für hohen Materialdurchsatz werden im Fall der Direktverfahren die Matrix- und die Textilkomponente direkt im Bereich des Materialeinlaufs des Pressprozesses zusammengeführt. Dies ist in der Regel mit einem hohen anlagentechnischen Aufwand verbunden. Für geringe bis mittlere Mengen wird neben den Prepregverfahren häufig das Film-Stacking-Verfahren eingesetzt. Hierbei durchläuft ein aus alternierend angeordneten Folien- und Textillagen bestehender Aufbau den Pressprozess. Die Art des Pressprozesses orientiert sich am geforderten Materialausstoß und der Materialvielfalt. Hier unterscheidet man, nach zunehmendem Materialdurchsatz, zwischen statischen, semi-kontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren. Der anlagentechnische Aufwand und die Anlagenkosten steigen dabei mit der Zunahme des Materialdurchsatzes (AKV-Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V., Handbuch Faserverbund-Kunststoffe, 3. Aufl. 2010, Vieweg-Teubner, 236).
Erfolgt aber im Verfahrensschritt e) gleichzeitig eine Formgebung, so wird nach dem Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung in Verfahrensschritt g) (Solidifikation), vorzugsweise auf Raumtemperatur (23 +/– 2°C), gekühlt und die Sitzstruktur dem als Negativform einer Sitzstruktur ausgeformten Presswerkzeug entnommen.
Wird hingegen das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug als fertige Plattenware eingesetzt, wird dieses nach dessen Herstellung nachträglich einem Formgebungsschritt unterzogen. Die Fertigungsverfahren der Kunststoffverformung werden in Deutschland nach DIN 8580 eingeteilt. Bevorzugte Formgebungsverfahren sind das Pressformverfahren (siehe beispielsweise EP 1 980 383 A2 ) und das Stempelumformen, bevorzugt das Stempelformverfahren (siehe: C. Hopmann, R. Schöldgen, M. Hildebrandt, Inline-Imprägniertechnik mit Thermoplasten, Flexible Serienfertigung von thermoplastischen FVK-Bauteilen, IKV der RWTH Aachen, Plastverarbeiter 15. Oktober 2014).
Beim Pressformen erfolgen alle erforderlichen Prozessschritte in der Reihenfolge Umformen → Aufheizen → Imprägnieren/Konsolidieren → Abkühlen im geschlossenen Werkzeug. Das textile Halbzeug bzw. wird in ein Formwerkzeug aus Metall eingelegt, kalt umgeformt und über Wärmeleitung durch Kontakt zur Form bei geringem Druck aufgeheizt. Nach Erreichen der Schmelztemperatur des Matrixpolymers, also des wenigstens einen Thermoplasten oder der Thermoplastzusammensetzung, wird ein höherer Druck zur Imprägnierung und Konsolidierung aufgebracht und anschließend abgekühlt.
Beim Stempelformen wird das einzusetzende und aus Plattenware bereits zugeschnittene, einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug außerhalb des Formwerkzeuges durch ein Heizsystem aufgeheizt bis dieses plastifiziert. Sodann sorgt ein Transfersystem für den Transport des plastifizierten Faser-Matrix-Halbzeug-Ausschnitts vom Heizsystem zum Presswerkzeug, welches auf einer konstanten Temperatur unter der Erstarrungstemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung gehalten wird. Der Faser-Matrix-Halbzeug-Ausschnitt wird anschließend im Formwerkzeug zur Sitzstruktur umgeformt und passiv abgekühlt.
In bevorzugter Ausführungsform wird im Verfahrensschritt f) das zu fertigende Faser-Matrix-Halbzeug – also noch während seiner Herstellung – durch ein gleichzeitig anzuwendendes Formgebungsverfahren in die gewünschte Geometrie oder Konfiguration einer Sitzstruktur geformt, d. h. Verfahrensschritte f) und g) werden gleichzeitig durchgeführt. Bevorzugte Formgebungsverfahren für die gleichzeitig mit dessen Herstellung einer geometrischen Gestaltung eines in Verfahrensschritt f) zu fertigenden Faser-Matrix-Halbzeugs sind Formpressen, Stanzen, Pressen oder jedes Verfahren unter Verwendung von Wärme und/oder Druck. Besonders bevorzugt sind Pressen und Stanzen. Vorzugsweise wird beim Formgebungsverfahren der Druck durch die Verwendung einer hydraulischen Formpresse aufgetragen. Beim Pressen oder Stanzen wird das Faser-Matrix-Halbzeug auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des wenigstens einen Thermoplasten bzw. Thermoplastzusammensetzung vorgewärmt und mit einer Form-, einer Formungseinrichtung oder einem Formwerkzeug, insbesondere wenigstens einer Formpresse, in die gewünschte Form bzw. Geometrie gebracht.
Erfindungsgemäß zu nutzende Formgebungsverfahren werden im Kapitel 10, Pressverfahren für kontinuierliche FV-Thermoplasten, Urs Thomann, in Composites Technologie, Prof. Dr. Paolo Ermanni, Skript zur ETH-Vorlesung 151-0307-00L, Zürich August 2007, Version 4.0 beschrieben.
Verfahrensschritt h)
In einer Ausführungsform kann sich mit Verfahrensschritt h) wenigstens eine Nachbehandlung anschließen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nachbehandlung ein Temperschritt. Das Tempern ist eine Temperaturbehandlung, die der Steigerung der Kristallinität zur Verbesserung der Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit, der Reduktion der inneren Spannungen, die durch Extrusion oder Zerspanung entstehen, sowie der Erhöhung der Dimensionsstabilität über einen breiten Temperaturbereich dient. Durch Tempern, insbesondere im Falle von Polyamid durch eine halb- bis eintägige Wärmenachbehandlung, vorzugsweise in einer Temperflüssigkeit bei 140°C bis 170°C, können Eigenspannungen innerhalb des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs und somit innerhalb der Sitzstruktur weitgehend beseitigt werden. Das Tempern führt auch zur Nachkristallisation nicht völlig auskristallisierter Erzeugnisse, wobei einerseits Dichte, Abriebfestigkeit, Steifigkeit und Härte ansteigen und andererseits eine geringe Nachschwindung, mitunter auch ein geringer Verzug der Teile, eintritt. Die Art, Temperatur und Zeitdauer des Temperns ist vom jeweils eingesetzten Thermoplasten bzw. Thermoplastzusammensetzung sowie von der Wandstärke des eingesetzten einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs abhängig. Durch geeignete Vorversuche wird der Fachmann die entscheidenden Parameter für den Verfahrensschritt h) ermitteln. Als Temperflüssigkeiten kommen wärmebeständige Mineral-, Paraffin- und Silikonöle in Betracht. Die getemperten Teile müssen langsam abgekühlt werden. Siehe auch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallisation_(Polymer)
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Nachbehandlung das Anformen von Funktionselementen oder das Umspritzen der Kanten der Sitzstruktur. Das Anformen weiterer Funktionselemente erfolgt vorzugsweise durch Gießen oder Spritzgießen, besonders bevorzugt durch Spritzgießen. Bevorzugt erfolgt das Anformen oder das Umspritzen vollflächig, partiell oder umlaufend. Das Spritzgießen kann dabei ein Hinterspritzen und/oder Anspritzen und/oder Umspritzen sein. Vorzugsweise wendet man das In-Mold-Forming (IMF) an, ein integratives Spritzgieß-Sonderverfahren, das zur Herstellung hybrider Strukturbauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen dient; siehe http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/11824771/. Durch IMF ist es möglich, im Kantenbereich eines Faser-Matrix-Halbzeugs freiliegende Verstärkungsfasern einzuschließen. Hierdurch wird ein Strukturbauteil mit besonders glatten Kanten erzeugt. Durch das IMF wird aber auch ein anzuformendes Funktionselement geformt und gleichzeitig mit der Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente verbunden, insbesondere ohne Einsatz zusätzlicher Klebemittel. Das Prinzip des IMF ist auch Gegenstand in DE 4101106 A1 , US 6036908 B , US 6475423 B1 oder WO 2005/070647 A1 .
Für eine erfindungsgemäß einzusetzende Spritzgusszusammensetzung zur Anwendung im IMF kommen vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe infrage, bevorzugt Polyamide, insbesondere PA 6, PA 66 oder aromatische Polyamide wie Polyphtalamid, Polysulfon PSU, Polyphenylensulfid PPS, Polyphthalamide (PPA), Poly(arylenethersulfone), wie PES, PPSU oder PEI, Polyester, bevorzugt Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyimide (PI). Weitere Ausführungsvarianten finden sich in DE 10 2006 013 684 A1 .
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform einer Sitzstruktur werden sowohl die Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente als auch die, vorzugsweise im IMF, anzuwendende Spritzguss-Komponente aus demselben thermoplastischen Polymer gefertigt. Besonders bevorzugt werden die Matrix des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs als auch die Spritzgusskomponente auf Basis von Polyamid ausgeführt. In diesem Fall und insbesondere für Sitzstrukturen eignen sich Durethan^® BKV 240 XCP, Durethan^® BKV 30 und Durethan^® BKV 30 XF der Lanxess Deutschland GmbH, Köln.
Bevorzugte Funktionselemente aus der Spritzgusskomponente sind Befestigungen oder Halterungen oder sonstige Applikationen, die nicht durch die Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente, sondern aufgrund eventueller geometrischer Komplexität durch die Spritzguss-Komponente abgebildet werden müssen.
Die Anbringung von Funktionselementen kann in wenigstens einem der Verfahrensschritte d), e), f) oder g) gleichzeitig, oder aber im Rahmen des Verfahrensschrittes h) nachträglich erfolgen.
Zur nachträglichen Anbringung von Funktionselementen, insbesondere zur Durchführung des IMF, wird die Sitzstruktur in ein Formwerkzeug, vorzugsweise in ein Spritzgießwerkzeug, mit entsprechend gestaltetem Formhohlraum eingelegt. Vorzugsweise wird die Sitzstruktur hierzu im Bereich der Anbringung des Funktionseelments zuvor plastifiziert. Anschließend wird die Spritzguss-Komponente eingespritzt. Ziel dabei ist, dass es zwischen dem Thermoplast der Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente und dem Thermoplast der Spritzguss-Komponente zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommt. Am besten erreicht man eine solche stoffschlüssige Verbindung, indem jene beiden Kunststoffe dieselbe Polymerbasis haben. Erfindungsgemäß bevorzugt ist, wenn beide Komponenten auf Polyamid, insbesondere auf Polyamid 6 basieren. Außerdem spielen noch Prozessparameter wie Schmelzetemperatur und Druck eine Rolle. Gleiches gilt, wenn die Spritzgusskomponente in wenigstens einem der Verfahrensschritte d), e), f) oder g) gleichzeitig eingesetzt wird.
Es ist bevorzugt, wenn das Spritzgießen im Verfahrensschritt h) bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 320°C, bevorzugt im Bereich von 240°C bis 290°C, weiter bevorzugt im Bereich von 240°C bis 270°C, erfolgt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Spritzgießen im Verfahrensschritt h) bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 2000 bar, bevorzugt im Bereich von 200 bar bis 1500 bar, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bar bis 1300 bar, erfolgt.
Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung wenigstens eines einschichtigen, endlosfaserverstärkten Faser-Matrix-Halbzeugs als Sitzstruktur, vorzugsweise in und außerhalb von Gebäuden oder in Fahrzeugen. Bevorzugte Fahrzeuge sind Kraftfahrzeuge. Bevorzugte Kraftfahrzeuge sind solche basierend auf Verbrennungsmotoren, Elektrokraftfahrzeuge oder Hybridkraftfahrzeuge.
Bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einschichtiger Faser-Matrix-Halbzeuge enthaltend

– 1 bis 25 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, bevorzugt 1 bis 20 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, besonders bevorzugt 1 bis 18 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern,
– wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m² bis 3000 g/m², bevorzugt im Bereich von 100 g/m² bis 900 g/m², besonders bevorzugt im Bereich von 150 g/m² bis 750 g/m², aufweisen,
– und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1133 im Bereich von 1 cm³/10 min bis 100 cm³/10 min imprägniert ist,
– wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide (PPO), Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate (PC), Polyphthalamide (PPA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Styrolacrylnitrile (SAN), TPO (Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis), TPU (Thermoplastische Polyurethane) und Polyoxymethylene (POM) ausgewählt wird,
– und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, und
– einen Volumenanteil an Luft oder Gas von weniger als 15 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 10 Vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Vol.-%, aufweist.

Eine erfindungsgemäße Sitzstruktur ist insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen, bevorzugt in Kraftfahrzeugen geeignet. Erfindungsgemäße Sitzstrukturen zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

– signifikant höhere Energieabsorption gegenüber einer reinen Kunststoff-Lösung, einer reinen Metallvariante, und auch gegenüber einer Kunststoff-Metall-Hybrid-Variante bei jeweils gleichem Gewicht, was im Falle eines Crashs erhebliche Bedeutung hat;
– die Bauteile müssen im Vergleich mit duroplastischen, langglasfaser-verstärkten Werkstoffen nicht nachgearbeitet werden;
– gegenüber reinen Metallblech-Varianten und Kunststoff-Metall-Hybriden ist kein Invest für Blechumformwerkzeuge nötig;
– Kunststoff-Bauteile können angeschweißt werden und an der Sitzstruktur somit weitere Funktionen eng mit dieser bzw. mit ihrer Funktion verbunden werden, z. B. Aufnahmen für Sensoren.

Im Vergleich zu Sitzstrukturen des Standes der Technik bietet eine erfindungsgemäße Sitzstruktur erhebliche Vorteile:

– niedrigeres Gewicht (gegenüber Kunststoff-Metall-Hybriden, Metallblech, Aluguss)
– besseres mechanisches Verhalten, höhere Energieaufnahme
– bessere Beständigkeit im Falle eines Crashs auch bei besonders tiefen Temperaturen ≤ –30°C
– Medienbeständigkeit
– keine Delamination.

Beispiele
Zum Nachweis, dass ein erfindungsgemäß zu einer Sitzstruktur zu verarbeitendes einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug oder zumindest in den genannten Anwendungen anteilig eingebautes, einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug weniger zur Delamination neigt, als ein mehrschichtiges Composite gemäß dem Stand der Technik, wurden Prüfkörper einer mechanischen Prüfung unterzogen und daraus die Verbundfestigkeit anhand von Zugversuchen nach EN ISO 527 zur Bestimmung der Bruchspannung, der Bruchdehnung sowie des E-Moduls bei definierter Temperatur ermittelt. Die EN ISO 527-1 (letzte Ausgabe vom April 1996, aktuelle ISO-Version Februar 2012) ist eine Europäische Norm für Kunststoffe zur Bestimmung der Zugeigenschaften, welche durch einen Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine ermittelt werden. Hierzu wurde eine speziell konzipierte Prüfkörperaufnahme verwendet, die ein einfaches Einschieben und Fixieren der als Prüfkörper verwendeten Kopfzugprobe bei Zugbelastung ermöglichte.
Die Prüfung wurde auf einer Universalprüfmaschine vom Typ Zwick UTS 50 der Firma Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, durchgeführt, wobei die Krafteinleitung durch einen mechanischen Spannkopf erfolgte. Jeder Prüfkörper, im Folgenden als Kopfzugprobe bezeichnet, bestand aus einem Faser-Matrix-Halbzeug-Streifen (55 × 40 × 2 mm³), auf den eine Rippe (40 × 40 × 4 mm³) aus Polyamid 6 gespritzt war.
EINSATZSTOFFE
Thermoplastische Matrix 1: Polyamid 6 (PA6)

Polyamid 6: Spritzgußtyp, leichtfließend, feinkristallin und sehr rasch verarbeitbar (BASF Ultramid^® B3s) mit einer Dichte von 1,13 g/cm³ und einem Fließindex MVR von 160 cm³/10 min [Messbedingungen: ISO 1133, 5 kg, 275°C] bzw. einer relativen Viskositätszahl (0.5% in 96% H₂SO₄, ISO 307, 1157, 1628) von 145 cm³/g.

Thermoplastische Matrix 2: Polyamid 6 (PA6)

Polyamid 6: Folientyp, unverstärkt, mittel fließend (BASF Ultramid^® B33 L) mit einer Dichte von 1,14 g/cm³ und einer relativen Viskositätszahl (0.5% in 96% H₂SO₄, ISO 307, 1157, 1628) von 187–203 cm³/g.

Faserhalbzeug
Balanciertes Rovingglasgewebe (YPC ROF RE600) bestehend aus 1200 tex Kett- und Schussfäden in 2/2 Köperbindung mit einer Fadendichte von 2,5 Fäden/cm. Flächengewicht total 600 g/m², davon 50% in Kett- und 50% in Schussrichtung. Gewebebreite 1265 mm, Rollenlänge 150 lfm. Ausrüstung der Schussfäden mit spezieller Schlichte, die auf das Polymersystem (im Beispielteil PA) angepasst war.
Faser-Matrix-Halbzeug (1)
Faser-Matrix-Halbzeug (1) wurde auf einer statischen Heizplattenpresse hergestellt. Das Faser-Matrix-Halbzeug (1) mit einer Kantenlänge von 420 mm × 420 mm bestand aus 4 Faserhalbzeuglagen sowie einer Polymermenge ausschließlich aus der thermoplastischen Matrix 1, die gleichmäßig auf die Faserlagen aufgebracht und verteilt wurde und in einen Faservolumengehalt von 47% bzw. in einer Dicke von 2,0 mm resultierte. Zur Konsolidierung und Imprägnierung wurde ein Flächendruck von 24 bar und eine Temperatur von 300°C für 240 s aufgeprägt. Die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte bei gleichbleibendem Druck in 300 s. Im entstandenen plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeug (1) waren die Faserhalbzeuglagen somit homogen eingebettet, aufgrund des einheitlichen Einschicht-Matrixsystems entstanden keine Material-/Phasengrenzen innerhalb der Matrix; es konnte stofflich nicht zwischen innerer Einbettmasse und Oberfläche unterschieden werden.
Faser-Matrix-Halbzeug (2)
Faser-Matrix-Halbzeug (2), als Beispiel eines mehrschichtigen Aufbaus gemäß dem Stand der Technik, wurde ebenfalls auf einer statischen Heizplattenpresse hergestellt. Das für den Mehrschichtaufbau vorgesehene Halbzeug mit einer Kantenlänge von 420 mm × 420 mm bestand aus 4 Faserhalbzeuglagen sowie einer Polymermenge ausschließlich aus der thermoplastischen Matrix 1, die gleichmäßig auf die Faserlagen aufgebracht und verteilt wurde und in einem Faservolumengehalt von 49% bzw. eine Dicke von 1,9 mm resultierte. Zur Konsolidierung und Imprägnierung wurde ein Flächendruck von 24 bar und eine Temperatur von 300°C für 240 s aufgeprägt. Die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte bei gleichbleibendem Druck in 300 s.
Um einen schichtförmigen Aufbau zu erzeugen, wurde auf dieses Zwischenprodukt in einem nachfolgenden Prozessschritt beidseitig eine 50 μm dicke Folie aus thermoplastischer Matrix 2 aufgebracht. Dies erfolgte wiederum auf einer statischen Heizplattenpresse bei einer Temperatur von 260°C und einem Flächendruck von 9 bar, der für 120 Sekunden aufrecht erhalten wurde. Die Abkühlung auf Raumtemperatur innerhalb von 60 s erfolgte bei einem Flächendruck von 7,5 bar. Aufgrund der unterschiedlichen Viskositäten der thermoplastischen Matrizes 1 und 2 kam es zu einem nicht einheitlichen Gefüge des Faser-Matrix-Halbzeugs. Im Inneren des auf diese Weise erzeugten plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeugs (2) waren die Faserhalbzeuglagen homogen in der Matrix 1 eingebettet, während an den beiden Oberflächen (surface) ausschließlich Matrix 2 vorlag, analog der Halbzeuge gemäß WO 2012/132 399 A1 und WO 2010/132 335 A1 .
Prüfung
Als Prüfkörper für die mechanische Prüfung der Verbundhaftung zwischen Faser-Matrix-Halbzeug (1) bzw. (2) und angespritztem Thermoplast kam eine sogenannte Kopfzugprobe zum Einsatz. Jeder dieser Kopfzugproben-Prüfkörper bestand aus einem Faser-Matrix-Halbzeug-Streifen (55 × 40 × 2 mm³), auf den eine Rippe (40 × 40 × 4 mm³) aus Polyamid 6 gespritzt war. Zu Kopfzugprobe siehe auch W. Siebenpfeiffer, Leichtbau-Technologien im Automobilbau, Springer-Vieweg, 2014, Seiten 118–120. Beim Kopfzugversuch wurde dann die Kopfzugprobe in eine Halterung eingespannt und einseitig mit einer Zugkraft belastet. Der Zugversuch wurde in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm (E-Modul) dargestellt.
Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchzuführenden Kopfzugversuche wurde ein jeweils ein erfindungsgemäßes erwärmtes, unverformtes Faser-Matrix-Halbzeug (1) und auch ein Faser-Matrix-Halbzeug (2) mit mehrschichtigem Aufbau gemäß dem Stand der Technik mit jeweils insgesamt 22 identischen Rippen hinterspritzt. Das jeweilige Faser-Matrix-Halbzeug (1) oder Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurde zuvor am Punkt des Angusses mit einer 8 mm-Bohrung versehen, damit kein zusätzlicher Widerstand für die anzuspritzende Polyamidschmelze zur Ausbildung von Rippen entstand. Nach der Verarbeitung wurden an ausgewählten Positionen entlang des Fließwegs einzelne, zur Prüfung geeignete Plattenabschnitte mit einer Bandsäge vom Typ „System Flott der Firma Kräku GmbH, Großseifen, ausgesägt.
Zur mechanischen Prüfung der Verbundfestigkeit wurden Kennwerte aus Zugversuchen an den Kopfzugproben ermittelt. Hierbei wurde eine speziell konzipierte Prüfkörperaufnahme verwendet, die ein einfaches Einschieben und Fixieren der Kopfzugprobe bei Zugbelastung ermöglichte. Die Prüfung wurde auf, einer Universalprüfmaschine vom Typ Zwick UTS 50 der Firma Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, durchgeführt, wobei die Krafteinleitung durch einen mechanischen Spannkopf erfolgte. Die bei der mechanischen Prüfung angewandten Parameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Faser-Matrix-Halbzeug (1) und Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurden gemäß DIN 1310 hinsichtlich des Faservolumengehaltes untersucht. Aus statistischen Gründen wurden jeweils 5 Prüfkörper untersucht. Dabei wurde für beide Faser-Matrix-Halbzeuge die oben beschriebenen mittleren Faservolumengehalte ermittelt.
Beide Faser-Matrix-Halbzeuge wurden weiterhin experimentell hinsichtlich des Porengehaltes, also des Einschlusses von Luft oder Gas, untersucht. Dazu wurde mittels eines Computertomografen Micro CT nanotom S des Herstellers General Electric Aufnahmen eines Querschnitts von Faser-Matrix-Halbzeug (1) und Faser-Matrix-Halbzeug (2) untersucht. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden. Mittels einer optischen Auswertesoftware konnte bei beiden Faser-Matrix-Halbzeugen ein Porengehalt von 4–5% ermittelt werden. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden.
Faser-Matrix-Halbzeug (1) wurde experimentell hinsichtlich des lokalen Faservolumenanteils untersucht. Dazu wurde mittels eines Computertomografen Micro CT nanotom S des Herstellers General Electric Aufnahmen eines Querschnitts von Faser-Matrix-Halbzeug (1) und Faser-Matrix-Halbzeug (2) untersucht. Es wurde der Glasfasergehalt innerhalb der Proben bis in eine Tiefe von 50 μm ausgewertet. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper eines jeden Faser-Matrix-Halbzeugs untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden. Bei Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurden bis in eine Tiefe von 50 μm keine Glasfasern festgestellt, da diese sämtlich von der ungefüllten Oberflächenschicht bedeckt von der Oberfläche abgetrennt vorlagen. Somit betrug der Faservolumenanteil in diesem Bereich 0%. In Faser-Matrix-Halbzeug (1) wurde keine separierende Deckschicht ermittelt, sondern die Glasfaserbündel lagen homogen eingeschlossen und bis an die Oberfläche vor, so dass auch im Bereich zwischen Oberfläche bis in eine Tiefe von 50 μm der beanspruchte Faservolumenanteil aufgefunden wurde. Experimentelle Ergebnisse

Prüfungsparameter Wert

Zustand der Prüfkörper Trocken (80°C, Vakuumtrockner, ca. 200 h)

Prüfgeschwindigkeit [mm/min] 10

Maximale Kraftaufnahme [kN] 50

Vorkraft [N] 5

Tabelle 1: Prüfungsparameter im Zugversuch
Als Kriterium für die Verbundfestigkeit wurde die im Zugversuch ermittelte maximal gemessene Kraft definiert. Erste messbare Kraftabfälle wurden durch erste Risse im Material, Ablösevorgänge, Verformungen oder ähnliche Effekte vor Erreichen der Maximalkraft verursacht und erschienen als Kriterium für die Verbundfestigkeit ungeeignet. Die maximal gemessene Kraft wurde bei Versagen der Kopfzugprobe erreicht; sie wird deshalb im Folgenden als Bruchkraft bezeichnet. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Maximalkraft neben der Verbundhaftung und der Geometrie stets auch vom Prüfverfahren und den Prüfbedingungen abhängen kann.
Pro Faser-Matrix-Halbzeug wurden jeweils 10 Rippenabzugprüfungen durchgeführt, um eine statistisch sichere Aussage zu ermöglichen.
Beim Faser-Matrix-Halbzeug (1) (erfindungsgemäß) kam es in allen Fällen zu einem rein kohäsiven Versagen der thermoplastischen Matrix 1 direkt an der obersten Faserhalbzeuglage des Faserhalbzeugs.
Beim Faser-Matrix-Halbzeug (2) (nicht erfindungsgemäß) war dagegen stets ein Mischbruch aus kohäsivem und adhäsivem Versagen in der Grenzschicht zwischen thermoplastischer Matrix 1 und thermoplastischer Matrix 2 zu beobachten. Ein kohäsives Versagen von thermoplastischer Matrix 1 oberhalb der obersten Faserhalbzeuglage war nicht festzustellen.
Beim nicht erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug (2) war somit die oberflächennahe Schicht (surface) aus thermoplastischer Matrix 2 vom Substrat, bestehend aus Faserhalbzeug und thermoplastischer Matrix 1, abgerissen, während beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1) kein derartiges Trennen innerhalb einer oberflächenparallelen Schicht in der thermoplastischen Matrix 1 zu beobachten war.

Nr. Testergebnis Faser-Matrix-Halbzeug (1) Testergebnis Faser-Matrix-Halbzeug (2)

1 + –

2 + –

3 + –

4 + –

5 + –

6 + –

7 + –

8 + –

9 + –

10 + –

Tabelle 2: Statistische Zusammenfassung von 10 Rippenabzugprüfungen
Die Bewertung der Ergebnisse erfolgte nach der Höhe der Abzugskraft. Ein „+” kennzeichnet die jeweils höhere Abzugskraft der beiden miteinander verglichenen Faser-Matrix-Halbzeuge, während ein „–„ die niedrigere Kraft kennzeichnet, wobei ein „+” eine um wenigstens 15% höhere Abzugskraft symbolisiert.
Die Prüfungsergebnisse zeigen, dass die Maximalkraft bei den Vergleichen der beiden Faser-Matrix-Halbzeuge beim erfindungsgemäßen einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1) stets höher ausfiel, als beim Faser-Matrix-Halbzeug (2) mit geschichtetem Aufbau.
Auch der Mittelwert der Einzelprüfungsergebnisse der Messreihe lag beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1) deutlich über dem des Faser-Matrix-Halbzeug (2).
Zusammengefasst: Die Rippenabzugsfestigkeit beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1) war deutlich höher, als beim Faser-Matrix-Halbzeug (2), weshalb ein erfindungsgemäßes, einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug, eingesetzt als wenigstens Teil einer Sitzstruktur, deutliche Vorteile gegenüber Faser-Matrix-Halbzeugen gemäß dem Stand der Technik aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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DIN 1310 [0123]

Claims

Sitzstruktur enthaltend wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug worin 1 bis 25 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m² bis 3000 g/m² aufweisen Und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1133 im Bereich von 1 cm³/10 min bis 100 cm³/10 min imprägniert ist, wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide, Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate, Polyphthalamide, Polymethylmethacrylate, Styrolacrylnitrile), Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, Thermoplastische Polyurethane und Polyoxymethylene ausgewählt wird, und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-% und einen Volumenanteil an Luft oder Gas von weniger als 15 Vol.-%, aufweist.
Sitzstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix-Halbzeug eine Materialstärke im Bereich von 0,05 mm bis 6 mm aufweist.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vinylpolymerisate aus der Gruppe Polyvinylhalogenide, Polyvinylester und Polyvinylether eingesetzt werden.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyolefine Polyethylen oder Polypropylen eingesetzt werden.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyester Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat eingesetzt werden.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polycarbonate auf Basis von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan, Bis(4-hydroxyphenyl)sulfon, Dihydroxydiphenylsulfid, Tetramethylbisphenol A, 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan oder 1,1,1-Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan eingesetzt werden.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyphthalamid PA 6T, PA 10T oder PA 12T eingesetzt werden.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polyamide mit einer relativen Lösungsviskosität in m-Kresol im Bereich von 2,0 bis 4,0 ausgewählt werden, wobei die Messung der relativen Lösungsviskosität η_rel gemäß EN ISO 307 in m-Kresol bei 25°C erfolgt.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug Funktionselemente angeformt oder Kanten umspritzt werden.
Sitzstruktur gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anformen weiterer Funktionselemente durch Gießen oder Spritzgießen, bevorzugt Spritzgießen, erfolgt.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anformen oder Umspritzen vollflächig, partiell oder umlaufend erfolgt.
Sitzstruktur gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anformen oder das Umspritzen durch In-mold-Forming erfolgt.