DE3126242C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein warmverpreßbares Halbleiterzeug zur Herstellung eines Formteils in Sandwichbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf ein aus einem derartigen Halbzeug hergestelltes Formteil.

Zur Herstellung eines Sandwich-Formteils ist aus der EP 00 22 168 ein Halbzeug bekannt, welches aus einem mit noch ungehärteten Faserverbund-Deckschichten belegten Schaumstoffkern besteht und durch Aushärten der Deckschichtlaminate unter Druck- und Wärmeeinwirkung zum fertigen Sandwich-Bauteil weiter verarbeitet wird. Ein derartiges Halbzeug mit voll expandiertem Schaumstoffkern, welches im wesentlichen das gleiche Volumen und die gleiche Raumform wie das endgültige Sandwichbauteil besitzt, also nicht mehr verformbar ist, ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Ferner ist es aus der DE-OS 24 33 427 bekannt, Faserlagen zur Gewichtsreduzierung mit daran anhaftenden Mikrokügelchen soweit zu erwärmen, daß die Mikrokügelchen vollständig expandieren und anschließend das mit den voll expandierten Schaumstoffkügelchen durchsetzte Faservlies mit der Kunststoffmatrix zu durchtränken und dann auszuhärten. Ein solches Faservlies mit darin eingelagerten Schaumstoffpartikeln ist als Deckschichtlaminat für ein Sandwichbauteil ungeeignet.

Schließlich sind aus der DE-OS 23 07 898 Formteile in Sandwichbauweise bekannt, die aus Gründen einer einfachen Fertigungsweise in einem einzigen Arbeitsgang aus einem warmverpreßbaren Halbzeug hergestellt werden, das aus drei übereinanderliegenden Kurzfaser-Harzmatten besteht, deren mittlere mit Treibmitteleinlagerungen versetzt ist, die beim Aushärten des Harzsystems unter der Druck- und Wärmeeinwirkung eines Formwerkzeugs expandieren, so daß ein Sandwichbauteil mit einer durchgehend faserverstärkten, im Kernbereich zwischen den Deckschichten geschäumten Harzstruktur entsteht. Abgesehen von der steifigkeitsmäßig ungünstigen Anordnung und Verteilung der Verstärkungsfasern ist bei derartigen Formteilen das Treibmittel im Halbzeug nur begrenzt lagerfähig, und selbst bei einer Mikro-Verkapselung des Treibmittels mit entsprechend erhöhter Lagerbeständigkeit besteht die Gefahr, daß die mikrofeinen Treibmitteleinlagerungen beim Warmverpressen des Halbzeugs mit den Fließbewegungen des Harzsystems in die äußeren Deckschichten gelangen und dort zumindest örtliche Schaumharzzonen bilden, was eine merkliche Festigkeitseinbuße der im allgemeinen hochbelasteten Deckschichten und/oder gar höchststörende Oberflächenfehler des fertigen Formteils zur Folge hat.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Halbzeug der beanspruchten Art zu schaffen, das hochgradig lagerbeständig und mit geringem Arbeits- und Kostenaufwand zu einem hochsteifen Formteil weiterzuverarbeiten ist, welches eine durchgehende, im Bereich des Innenkerns geschäumte, an den faserverstärkten Deckschichten aber mit Sicherheit schaummittelfreie Kunststoffstruktur aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 und in weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnete Halbzeug bzw. Formteil gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbzeug sind die Schaumstoffpartikel im teilexpandierten Zustand in den faserfreien, ungehärteten Kern-Kunststoff eingelagert und werden erst beim Warmhärten der Kunststoffkomponente voll aufgeschäumt. Hierdurch wird nicht nur für das Halbzeug eine Volumenverringerung der den Schaumkern bildenden Zwischenschicht erreicht, sondern vor allem beim Aushärten des Formteils bzw. Halbzeugs im Formwerkzeug eine ganz wesentliche Verbesserung dadurch erzielt, daß unter der Wirkung der sich aufblähenden Schaumstoffpartikel im Inneren des Formteils ein einwandfreier Harzfluß sichergestellt und das Deckschichtlaminat durch die expandierende Kernschicht sauber an die Werkzeug- Formflächen angepreßt wird, wobei die Verwendung von Schaumstoffpartikeln, die zu Beginn des Härtungsprozesses bereits teilexpandiert sind, also sich nicht mehr im mikrofeinen Zustand befinden, die Gewähr dafür bietet, daß diese Partikel - anders als expandierfähige, aber ungeschäumte Mikrokügelchen - bei der Warmhärtung mit den Fließbewegungen des Kunststoffs nicht in das Deckschichtlaminat gelangen und dort örtliche Luft- bzw. Schaumstoffeinschlüsse mit der Folge einer Oberflächenverschlechterung und vor allem Festigkeitseinbuße der im allgemeinen hochbelasteten Deckschichten bilden können. Zugleich läßt sich der Aufbau des Schaumkerns bzw. des diesen gleichförmig durchziehenden, einstückig an die Matrix der Deckschichten anschließenden Kunststoffgerüste je nach dem erwünschten spezifischen Gewicht und der geforderten Eigenfestigkeit des Schaumkerns durch entsprechende Wahl der Korngröße und -form des Schaumstoff- bzw. Granulatanteils exakt einstellen, wobei das Kunststoffgerüst vorzugsweise weniger als 20% des Schaumkern- Volumens einnimmt.

Wird, wie besonders bevorzugt, als teilexpandiertes Füll- oder Schaummittel ein thermoplastisches, etwa ein Polystyrol-Granulat und als Kunststoff ein Epoxydharz verwendet, so ergibt sich zusätzlich zu einer hochgradigen Lagerbeständigkeit bei zugleich guter Verarbeitungsfähigkeit und geringer Wandstärke des Halbzeugs der wesentliche Vorteil, daß das endgültige Aufschäumen des Granulats nicht - wie bisher üblich - mit Hilfe einer Dampfinjektion in komplizierten Formwerkzeugen mit porösen Formraumoberflächen durchgeführt werden muß, um die für die vollständige Expansion erforderliche Wärmezufuhr zu den einzelnen Granulatpartikeln sicherzustellen, sondern vielmehr diese Wärmezufuhr einerseits aufgrund der exothermen Härtungsreaktion und andererseits im üblichen Wandstärkenbereich von Sandwichbauteilen durch Wärmeleitung und -konvektion von den beheizten Formraumoberflächen des Formwerkzeugs her durch das Epoxydharzsystem selbst bewirkt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur schrittweisen Verarbeitung des Halbzeugs und einen ebenfalls schematischen Teilschnitt desselben; und

Fig. 2 einen Ausschnitt des fertigen Formteils in vergrößerter, wiederum schematischer Darstellung.

Wie aus dem Teilschnitt des Halbzeugs 2 in Fig. 1 ersichtlich ist, enthält dieses eine obere und eine untere Faserlage 4, 6 in Form eines multidirektionalen, mehrlagigen Glas-, Aramid- oder Carbon-Fasergewebes oder -geleges, das mit wärmehärtbarem Kunststoff, etwa Epoxid- oder Polyesterharz, vorgetränkt ist (sog. Prepregs). Die zwischen den Faserlagen 4, 6 eingebettete Zwischenschicht 8 besteht aus einem homogenen Gemisch aus dem gleichen, wärmehärtbaren, jedoch unverstärkten, eingedickten Kunststoffsystem 10, also etwa Epoxidharz, und einem diesem in gleichförmiger Verteilung beigemischten, vorgeschäumten, thermoplastischen Perlgranulat 12. Es kann grundsätzlich jedes handelsübliche, vorgeschäumte Granulat verwendet werden, das unter der Härtungstemperatur des Kunststoffsystems weiter expandiert und von den im Kunststoffsystem enthaltenden, chemischen Verbindungen weder angelöst noch angequollen wird. Für das erwähnte Epoxidharzsystem etwa ist ein vorgeschäumtes, schäumbares Polystyrol- Perlgranulat gut geeignet.

Fertiggestellt wird das Halbzeug 2 durch eine außen auf die Faserlagen 4, 6 aufgebrachte Trennfolie 14, 16 und dann als Stapel rechteckige Zuschnitte, vorzugsweise aber als Endlosbahn in Form einer Vorratsrolle 18 angeliefert.

Zur Weiterverarbeitung wird das Halbzeug 2 in der Anlage gemäß Fig. 1 durch ein Förderrollenpaar 20 von der Vorratsrolle 18 abgezogen, von den Trennfolien 14, 16 befreit und einer Schneidestation 22 zugeführt, wo ein der Größe und Form des herzustellenden Formteils entsprechender Zusschnitt 24 aus dem Halbzeug 2 herausgeschnitten oder - gestanzt wird.

Der Zuschnitt 24 wird in ein formgebendes, zweiteiliges, beheizbares Preßwerkzeug 26, 28 in Form eines Tauchkantenwerkzeugs eingelegt, und nach dem vollständigen Schließen und unter der Druck- und Wärmeeinwirkung desselben wird zunächst die Harzmatrix der Deckschichten zum Fließen gebracht, so daß die Preßwerkzeugoberfläche vom Harz gut benetzt und nach dem Aushärten am fertigen Formteil einwandfrei abgebildet wird. Gleichzeitig wird das thermoplastische Perlgranulat in der Zwischenschicht des Zuschnitts 26 durch die Wärmezufuhr plastiziert und soweit erhitzt, daß die Schaumbildung einsetzt. Die erforderliche Wärmezufuhr zu den einzelnen Granulatpartikeln wird vom Harzsystem selbst bewirkt, und zwar einerseits auf dem - in einem Sandwichbauteil von relativ geringer Dicke sehr kurzen - Wege der Wärmeübertragung und andererseits aufgrund der exothermen Härtungsreaktion des Harzsystems. Beim Einsetzen des Schäumvorgangs werden die Formhälften 26, 28 des Preßwerkzeugs simultan zur Expansion des Perlgranulats auseinanderbewegt, bis der Formraum die dem fertigen Bauteil entsprechenden Abmessungen erreicht hat. Nach dem Aushärten des Harzsystems in den Deckschichten und im Kern wird das Preßwerkzeug 26, 28 erneut geöffnet und das Formteil entformt. Um die thermoplastischen Schaumstoffpartikel vor einer thermischen Überhitzung zu schützen, kann das Formteil evtl. in einem Wasserbad oder einer Luftdusche gekühlt werden.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt des fertiggestellten Formteils 30, etwa eines sphärisch gekrümmten Kraftfahrzeug- Dachs. Dieses besteht aus den oberen und unteren, durch die Faserlagen gerichteter Faserorientierung verstärkten Harz-Deckschichten 32, 34 und dem Schaumkern 36, in den sich das Harzsystem 10 unter gleichförmiger Einlagerung der aus dem Perlgranulat 12 gebildeten Schaumstoffpartikel 38 einstückig fortsetzt. Je nach dem gewünschten spezifischen Gewicht und den Festigkeitsanforderungen des Schaumkerns 36 läßt sich die Struktur des Harzgerüstes im Schaumkern 36 durch entsprechende Wahl der Korngröße und -form und des Mischungsanteils des Perlgranulats 12 bzw. der Schaumstoffpartikel 38 im Harzsystem 10 veränderlich festlegen. So wird beispielsweise durch Verwendung eines Perl-Granulats unterschiedlicher Korngröße eine feinere Strukturierung des Harzsystems 10 im Schaumkern 36 erreicht. Die Querschnittskonfiguration des Formteils 30 ist in Fig. 2 der Deutlichkeit halber in stark vergrößertem Maßstab gezeigt, tatsächlich jedoch beträgt die Wandstärke der Deckschichten 32, 34 nur etwa 1 bis 2 mm und die des Schaumkerns 36 etwa 8 bis 10 mm.

Claims (7)

1. Warmverpreßbares Halbzeug zur Herstellung eines Formteils in Sandwichbauweise, bestehend aus oberen und unteren Faserlagen gerichteter Faserorientierung und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus dem die Kunststoffmatrix der Faserlagen bildenden, warmhärtbaren Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (8) aus dem faserfreien Kunststoff (10) im ungehärteten, eingedickten Zustand und einem diesem in gleichförmiger Verteilung beigemischten, teilexpandierten, unter der Härtungstemperatur des Kunststoffs vollständig expandierbaren Schaumstoff- Granulat (12) besteht.

2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen (4, 6) mit dem Kunststoff (10) vorgetränkte Fasergewebe oder -gelege sind.

3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, eine die Außenflächen des Halbzeugs (2) abdeckende, vor dem Warmverpressen abnehmbare Trennfolie (14, 16).

4. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (10) aus Epoxydharz und die teilexpandierten Schaumstoffpartikel aus vorgeschäumtem Polystyrol- Perlgranulat (12) bestehen.

5. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der teilexpandierten Schaumstoffpartikel (12) im mm-Bereich liegt.

6. Formteil in Sandwichbauweise mit oberen und unteren, aus in einer ausgehärteten Kunststoffmatrix (10) eingebetteten Faserlagen gerichteter Faserorientierung bestehenden Deckschichten (32, 34) und einem zwischen diesen angeordneten, spezifisch leichten Kunststoff- Schaumkern (36), hergestellt aus dem Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (36) aus einem Gemisch des ausgehärteten Kunststoffs (10) und darin in gleichförmiger Verteilung eingelagerten, vollständig expandierten Schaumstoffpartikeln (38) besteht.

7. Formteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (36) zu mehr als 50 Vol.-%, vorzugsweise über 80 Vol.-% aus voll expandierten Schaumstoffpartikeln (38) besteht.