DE3236447C2 - Verfahren zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Formkörpern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Formkörpern

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Abstract

Endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei die Matrix aus thermoplastischen Materialien mit extrem hoher Schmelzviskosität besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Formkörpern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, faserverstärkte Kunststoffe nach dem »Prepreg-Verfahren« herzustellen. Dieses Verfahren ist jedoch dann nicht anwendbar, wenn z. B. eine zu hohe Viskosität für die Schmelzinfiltration oder fehlende Löslichkeit vorliegen. Weiter kann dieses Verfahren dann nicht angewandt werden, wenn Lösungsmittelfreiheit verlangt wird, was z. B. bei Verwendung von Implantatmaterialien in der Medizintechnik erforderlich ist
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen aus GFK ist das »Heißwickelverfahren«, das jedoch eine niedrige Schmelzviskosität und einen hohen gerätetechnischen Aufwand verlangt
An sich bekannt sind Kunststoffe mit hochviskosen Schmelzen wie ultrahochmolekulares Polyethylen
is (UHMPE), Polytetrafluorethylen (PTFE), (Teflon), Polypropylen (PP), Polychlortetrafluorethylen (PCTFE). Bekannt ist die Herstellung unverstärkter Formkörper aus diesen Materialien. Die genannten Stoffe sind relativ schwer zu verstärken, da sie zum Teil keine Schmelzen bilden, sondern sich vorher zersetzen oder ihre Schmelzen die verstärkenden Materialien weder durchdringen oder umfließen noch gut daran haften. Die hohe elektrische Aufladung dieser Kunststoffe läßt kein gleichmäßiges Dosieren in Pulverform erwarten, sondern Klümpchenbildung. Diese Kunststoffe eignen sich ebenfalls nicht zum drucklosen Sintern — worunter in der Kunststofftechnik das pulverförmige Aufbringen und Verschmelzen unter Wärmebehandlung verstanden wird. Dazu wird allgemein ein guter Schmelzfluß für notwendig gehalten (Kunststofflexikon, Carl Hanser Verlag, 1981, Seite 470, Stichwort: Sinterverfahren, und Zeitschrift: »Plastverarbeiter«, 1957/4, Seite 131).
Aus der CH-PS 2 92 166 ist ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Gegenständen aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Pulver bekannt Dabei wird die erste Hälfte des PTFE-Pulvers in eine Preßform gegeben, das verstärkende Material eingelegt und die zweite Pulverhälfte darübergegeben. Dann wird die Form geschlossen und unter Wärmeeinwirkung der Druck erhöht Das Verfahren ist einstufig. Das Verfahren eignet sich nicht für einen hohen Fasergehalt und nicht für kompliziert geformte Bauteile, da dann eine homogene Verteilung des Matrixmaterials nicht erreicht werden kann.
Aus der DE-OS 20 00 123 ist ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Formkörpern bekannt bei dem in einem ersten Schritt auf ein ebenes Gewebematerial das pulverförmige Matrixmaterial gleichmäßig dosiert auf-
so gebracht wird und durch Erwärmen drucklos an das Gewebematerial zum Anschmelzen gebracht wird und in einem zweiten Schritt mindestens zwei Lagen des Zwischenmaterials bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zu dem Formkörper so verpreßt werden, daß das Gewebematerial vollständig vom Matrixmaterial durchdrungen wird. Als Matrixmaterialien gemäß dieser Literaturstelle werden ausschließlich Vinylpolymerisate oder deren Chlorierungsprodukte verwendet die eine niedrige Schmelzviskosität besitzen, wobei zusätzlich noch Hilfsstoffe, wie Stabilisatoren oder Gleitmittel, zugegeben werden können. Durch die Hilfsstoffe werden in der Regel die Eigenschaften des Endprodukts verschlechtert.
PVC weist als Schmelze eine Fließfähigkeit auf, die um Größenordnungen besser ist als die Fließfähigkeit der vorgenannten Thermoplaste mit hochviskosen Schmelzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-
fahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das zu höher belastbaren mit Endlosfasern verstärkten Kunststoff-Formkörpern führt, die weiterhin kompliziert geformt sein und einen hohen Faseranteil aufweisen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstände der Unteransprache.
Die erfinaungsgemäße Verwendung von thermoplastischem Kunststoff mit extrem hoher Schmelzviskosität führt zu den erwünschten verbesserten Eigenschaften der Formkörper. Die Viskosität dieser Materialien liegt an der Grenze des Meßbaren (109—10" Pa s). Die Stoffe besitzen praktisch keine Fließfähigkeit, man spricht von Viskoelastizität Überraschend ist danach, daß das Verfahren ohne Sinterhilfsmittel oder Gleithilfsmittel, die die Qualität des Formkörpers beeinträchtigt hätten, durchführbar ist und dennoch eine vollstendige Durchdringung des Fasermateriais auch bei hohem Faseranteil erreicht wird. Die geringe Fließfähigkeit und Benetzungsfähigkeit hielt die Fachwelt bisher offensichtlich davon ab, mit Endlosfasern verstärkte Formkörper aus den angegebenen Kunststoffen herzustellen. Geringe Benetzungsfähigkeit ist aufgrund der glatten, wachsartigen Oberflächen gegeben und mußte ein Anhaften an Fasern, z. B. ebenfalls glatte Glasfasern, schwierig erscheinen lassen.
Schwierigkeiten, die der Verwendung von thermoplastischen Materialien mit extrem hoher SchmelzviskoiJ-tät als Pulver wegen der hohen elektrischen Aufladung der Teilchen und der daraus folgenden Klümpchenbildung als entgegenstehend vermutet werden mußten, sind nicht eingetreten. Die zur Herstellung, insbesondere hochfester Bauteile mit hohem Fasergehalt erforderliche extrem gleichmäßige Verteilung des Matrixmaterials ist dadurch gelöst, daß im ersten Schritt des Verfahrens das hochschmelzende Thermoplastpulver gleichmäßig dosiert auf das ebene Gewebematerial aufgebracht und zum Anschmelzen gebracht ist und erst im zweiten Schritt aus lagenweise geschichtetem Zwischenmaterial die komplizierten Formkörper geformt werden. Das Matrixmaterial befindet sich bereits vor dem Formen im wesentlichen an den Stellen, an denen es benötigt wird, und die notwendigen Fließwege sind kurzgehalten.
Das im ersten Schritt des Verfahrens entstandene Zwischenmaterial behält seine volle Flexibilität in allen Richtungen und ist gut handhabbar. Das Zwischenmaterial kann aufgewickelt oder zusammengefaltet bei Raumtemperatur gestapelt und gelagert werden.
Mehrere Lagen des Zwischenmaterials werden dann zur Herstellung von Formkörpern miteinander bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur verpreßt, wobei das Gewebe vom Matrixmaterial vollständig durchdrungen wird. Mit diesem Material lassen sich Formkörper mit einem Fasergehalt von bis zu 70% herstellen.
Erfindungsgemäß hergestellte Formkörper weisen folgende Vorteile auf:
— Wasserabweisung, keine Vereisung,
— sehr gute dielektrische Eigenschaften,
— hohe Zugfestigkeit,
— hohe Kerbschlagzähigkeit,
— hohe Regen-Erosionsbeständigkeit,
— hohe chemische Beständigkeit,
— hohe Alterungsbeständigkeit
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Material eignet sich für hochfeste tragende Teile im Flugzeugbau. Bisher wurden im Flugzeugbau vor allem Duroplaste faserverstärkt, deren Einsatzfähigkeit für Oberschallflugzeuge jedoch fraglich ist Faserverstärkte Duroplaste wurden für tragende Konstruktionen bisher nur im Unterschallbereich eingesetzt Die nach der Erfindung geschaffenen Formkörper eignen sich als Konstruktionselement für Übersciiallflugzeuge. Die guten dielektrischen Eigenschaften, die Wasserabweisung und die Regen-Erosionsbeständigkeit prädestinieren das Material auch für Antennenabdeckungen an Flugzeugen, Schiffen oder ortsfesten Anlagen.
Es folgt die Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren. Es zeigt
Fig. 1 das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Zwischenmaterials in prinzipieller Darstellung,
Fig.2 eine Querschnittsansicht des Gewebes und Matrixmaterials während der einzelnen Schritte seiner Herstellung und
F i g. 3 das Verpressen mehrerer Zwischenmateriallagen zu einem Formkörper.
F i g. 1 zeigt eine Vorratsrolle 1, auf der sich ein Glasfasergewebe 2 befindet, das in Richtung; auf eine beheizte Walze 4 abgewickelt wird. Aus einer Dosiervorrichtung 6 wird pulverförmiges Matrixmaterial 8 gleichmäßig auf das Glasfasergewebe 2 gestreut
Glasfasergewebe 2 und Matrixmaterial 8 gelangen mm gemeinsam zur beheizten Walze 4, die bewirkt, daß das Matrixmaterial 8 oberflächlich leicht an das Glasfasergewebe 2 anschmilzt und mit diesem verklebt und alle Pulverkörner durch Zusammensintern miteinander verbunden werden.
Nach Verlassen der beheizten Walze 4 kühlt das Zwischenmaterial 12 auf Raumtemperatur ab und wird auf eine Abzugsrolle 14 aufgewickelt, da es durch das aufgesinterte Matrixmaterial seine Flexibilität nicht verloren hat
Das so hergestellte Zwischenmaterial 12 wird nun in mehreren Lagen aufeinandergelegt und in einer Form 16 zu einem Formkörper bei erhöhter Temperatur und unter Anwendung von Druck verpreßt» wie in F i g. 3 zu sehen ist Dabei wird ein Kunststoffsack 10 unter Gasdruck gegen die in der Form liegenden Zwischenmateriallagen 12 gepreßt Eigenschaften des Kunststoffsackes 10: inert gegenüber dem Matrixmaterial bei der Temperatur des Formpressens und hochflexibel (Silikon).
Die einzelnen Schritte zur Herstellung des Zwischenmaterials sind in Fig.2 dargestellt Im linken Bildteil liegt pulverförmiges Matrixmaterial lose auf einem Gewebematerial; im mittleren Bildteil beginnt durch Hitzeeinwirkung das Aufsintern und Verkleben; im rechten Bildteil ist das Aufsintern abgeschlossen. In ähnlicher Weise kann Matrixmaterial auf beiden Seicen des Gewebes aufgesintert werden, dies ist in den Figuren nicht gezeigt
Die Herstellung des Verbundwerkstoffs in zwei Schritten erlaubt die Herstellung auch kompliziert geformter hochfester Teile wie Kegel, Halbkugelkalotten oder von Profilen für den Maschinenbau. Die hohe Festigkeit, die Gewebeverträglichkeit und die an Knochen anpaßbare Steifigkeit erlauben Anwendungen in der Endoprothetik, z. B. für Hüftgelenkschalen und Schäfte oder Osteosyntheseplatten zur Knochenfixierung bei Frakturen.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele gegeben:
Matrixmaterialien: Ultrahochmolekulares Polyethylen Polypropylen
PTFE
PCTFE
Fasermaterialien:
Glasfasergewebe
Kohlenfasergewebe
organische Fasergewebe wie Kevlar
in typischen Gewebedicken von 0,2 mm, wobei die Fasern unidirektional oder bidirektional laufen können
15
Verfahrensparameter für Ultrahochmolekulares Polyethylen:
— Temperatur der Heizwalze: 1700C (anstelle einer Heizwalze kann auch eine Heizzone verwendet werden)
— Ziehgeschwindigkeit: 5 mm/sec
— Temperatur für die Herstellung des Formkörpers: 1600C
— Druck: 15 bar
— Anzahl der Gewebelagen: 10
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
30
40
50
55
60
65

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Formkörpern mit thermoplastischem Kunststoff als Matrixmaterial, bei dem in einem ersten Schritt auf ein ebenes Gewebematerial das Matrixmaterial pulverförmig gleichmäßig dosiert .aufgebracht wird und durch Erwärmen drucklos an das Gewebematerial zum Anschmelzen gebracht und Zwischenmaterial gebildet wird und in einem zweiten Schritt mindestens zwei Lagen des Zwischenmaterials bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zu dem Formkörper so verpreßt werden, daß das Gewebematerial vollständig vom Matrixmaterial durchdrungen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial ein Kunststoff rait einer extrem hohen Schmelzviskosität (Fließwert größer gleich 10-3 N/mm2) wie ultrahochmolekulares Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder Polychlortetrafluorethylen verwendet wird und daß das Verfahren ohne Sinterhilfsmittel oder Gleithilfsmittel durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gewebematerial mit einer typischen Dicke von 0,2 mm verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterialien Glasfasergewebe, Kohlenfasergewebe oder organische Fasergewebe wie Kevlar verwendet werden, bei dem die Fasern unidirektional oder bidirektional laufen können.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen zum Anschmelzen des Matrixmaterials durch eine beheizte Walze erfolgt, über die das Gewebe geführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Matrixmaterials durch Aufspritzen des Pulvers in einem inerten Heißgasstrom so erfolgt, daß es dabei an das Gewebe anschmilzt
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen zu dem Formkörper in einer offenen Form mit Hilfe eines gegenüber dem Matrixmaterial bei Preßtemperatur inerten sowie hochflexiblen Kunststoffsacks erfolgt, der durch Anlegen eines Außendrucks gegen das zu formende Material gepreßt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen zu dem Formkörper in einer Form mit Hilfe eines thermoexpansiven Materials erfolgt
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf dem Formkörper eine zusätzliche Schicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zusätzlichen Schicht als Pulver mit Hilfe eines inerten Heißgasstroms auf den Formkörper so aufgespritzt wird, daß es an den Formkörper anschmilzt
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