WO2012038461A1 - Materialzusammensetzung als ein oder für ein werkzeug und verfahren zum herstellen einer materialzusammensetzung - Google Patents

Materialzusammensetzung als ein oder für ein werkzeug und verfahren zum herstellen einer materialzusammensetzung Download PDF

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Thorsten BÜSCHGENS
Stefan WÖHNER
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    • B29C43/003—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor characterised by the choice of material

Definitions

  • the present invention relates to a material composition as or for a tool and a method for producing a material composition as a tool or for a tool.
  • the present invention also relates to compacted fiber-filled resin bodies for use as tool material or tooling material for the production of fiber composite materials, ie in particular for tools which are suitable for the production of fiber composite materials.
  • the invention is based on the object to provide a method for producing a material composition as a or for a tool and in particular a material composition as or for a tool itself, in which in a particularly simple and reliable manner, the requirements in terms of possible high compressive strength, the lowest possible thermal expansion, the highest possible temperature resistance in a desired temperature range at low weight and the lowest possible manufacturing and material costs can be achieved.
  • a method for producing a material composition, in particular as or for a tool, in which a fiber material is introduced into a temperature-resistant resin material as a matrix and under pressure to a density in the range of about 0.4 g / cm 3 to about 0.8 g / cm 3 is pressed.
  • the material composition may preferably have a density in the range of about 0.5 g / cm 3 are pressed to about 0.7 g / cm 3. In this choice of compression densities, particularly preferred properties for the resulting in terms of their mechanical, thermal and / or electrical properties of the material composition.
  • the fibrous material may be or may be formed with or from fibers that are temperature resistant.
  • a particularly suitable temperature resistance results when the underlying fiber material is temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the fibrous material may be formed with or from fibers with or from one or more materials selected from the group consisting of polyacrylonitrile, oxidized polyacrylonitrile, carbon, glass, aramid, polybenzimine idazole, and combinations thereof.
  • the fibrous material may be formed with or from fibers which are or will be cut or have a mean fiber length in the range of about 0.1 mm to about 60 mm, preferably in the range of about 1 mm to about 10 mm, and / or are formed as recycled material or are, in particular from a needle felt product.
  • a mean fiber length in the range of about 0.1 mm to about 60 mm, preferably in the range of about 1 mm to about 10 mm, and / or are formed as recycled material or are, in particular from a needle felt product.
  • needled felt products in the production of fiber composites or the like.
  • the fiber material may also be formed from fibrous residual materials from a recycling process of fiber composites or be, which are temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the resin material may be or may be formed with or from one or more materials which are temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the resin material may be formed with or consisting of one or more materials selected from the group consisting of resinous materials in powder form, phenolic resins, bismaleimide, polyphenylene sulfide, polyether ketone or PEEK materials, and combinations thereof. Also by the appropriate choice of the materials underlying the resin material and their properties, the properties of the resulting material composition and in particular of a tool to be produced can be influenced and made positive.
  • a final temperature treatment or annealing may be performed, particularly at a temperature in the range of about 200 ° C to about 220 ° C and / or for a period of time in the range of about 1 hour to about 5 hours.
  • Surface areas of the material composition may be wholly or partially impregnated with one or more coating materials as coating and / or one or more impregnating materials, in particular with or consisting of one or more materials from the group, the CFRP materials, CFRP prepregs, surface resins, epoxy resins , Hochtichtungpoxidharze and / or combinations thereof, coated or impregnated.
  • the interfacial properties of the resulting material composition and in particular of the tool to be produced can be positively influenced.
  • the material composition can be formed into a tool, e.g. B. (a) by performing the pressing in or with a corresponding mold and / or (b) by mechanical post-treatment after pressing and / or during and / or after a thermal aftertreatment.
  • the material composition can be modified and processed in any desired manner, either during its formation or subsequently, in order to form a corresponding tool, as long as the basic properties of the material composition according to the invention and its advantages are not jeopardized.
  • a material composition is also provided as such, in particular as or for a tool, in which a fiber material in a temperature-resistant
  • Resin material is introduced as a matrix and the material composition under pressure to a density in the range of about 0.4 g / cm 3 to about 0.8 g / cm 3 is pressed.
  • the material composition may preferably have a density in the range of about 0.5 g / cm 3 to be compressed to about 0.7 g / cm 3.
  • the fibrous material can be formed with or from fibers which are temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the fibrous material may additionally or alternatively be formed with or from fibers with or from one or more materials from the group comprising polyacrylonitrile, oxidized polyacrylonitrile, carbon, glass, aramid, polybenzimidazole, and combinations thereof.
  • the fibrous material may be formed with or consist of fibers which are or have been cut, have a mean fiber length in the range of about 0.1 mm to about 60 mm, preferably in the range of about 1 mm to about 10 mm, and / or are formed as recycled material or are, in particular from a needle felt product.
  • the fiber material may also be formed from fibrous residual materials from a recycling process of fiber composites which are temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the resin material can be formed with or from one or more materials which are temperature resistant, in particular up to a temperature in the range up to about 220 ° C.
  • the resin material may be formed with or from one or more materials from the group comprising powdery resin materials, phenolic resins, bismaleimide, polyphenylene sulfide, polyether ketones or PEEK materials, and combinations thereof.
  • the material composition according to the invention may be finished temperature treated or tempered, in particular at a temperature in the range of about 200 ° C to about 220 ° C and / or for a period of time in the range of about 1 hour to about 5 hours.
  • Surfaces may be wholly or partially coated with one or more coating materials as a coating and / or one or more impregnating materials as impregnation, in particular with or consisting of one or more materials from the group comprising CFRP materials, CFRP prepregs, surface resins, epoxy resins, high temperature epoxy resins and / or their combinations, be coated or impregnated.
  • the material composition according to the invention may be formed into a tool (a) formed with a molding tool or with a (b) mechanically counterfeited tool.
  • FIG. 1 shows, in the form of a schematic flow diagram, aspects of a first embodiment of the method according to the invention for producing a material composition, in particular as a tool or for a tool.
  • FIGS. 2A-F show, in a schematic and sectional side view, intermediate states that can be achieved in one embodiment of the production method according to the invention.
  • the present invention also relates to compacted fiber-filled resin bodies and their preparation and their use as tool material or tooling material for tools for the production of fiber composite materials or the like.
  • the solution according to the invention proposes a material or a material class with a corresponding production method, which are based on compacted and resin-bonded fibers.
  • the new material class is particularly suitable for use as tool material or tooling material.
  • a temperature-resistant resin system is used as the binder material, for.
  • a phenolic resin in particular powder based.
  • the fibers can z. B. also be cut, oxidized polyacrylonitrile or PAN fibers.
  • Their fiber length is preferably 1 mm to 1 0 mm, but more generally m et tlere fiber lengths in the range of about 0, 1 mm to about 60 mm are conceivable.
  • non-carbonized fibers can be used and / or non-carbonized resin materials. Both lead to significant cost savings, because the corresponding production, energy and time are eliminated, without causing any significant deterioration in the required property profiles.
  • the compressive strength to which must be placed in accordance with the above-mentioned explanations can be influenced in wide areas. In principle, densities of more than 0.8 g / cm 3 are possible.
  • the viable target density is advantageously in the range of about 0.4 g / cm 3 to about 0.8 g / cm 3. This results in compressive strengths in the range of about 1 0 MPa to about 60 MPa. In this range, the thermal expansion at 200 ° C is approximately in the range of 1 ⁇ 1 0 "6 / K to about 3- 1 0 " 6 / K.
  • the thermal conductivity values range from about 0.25 W / mK to about 0.50 W / mK.
  • the pressing process actually used can also be subdivided into a so-called prepressing or precompression, which can also take place several times and the actual pressing process, with which the target density of the material composition according to the invention is set.
  • FIG. 1 shows, in the form of a schematic flowchart, details of a first embodiment of the method according to the invention for producing a material composition 1 for a tool 1 '.
  • a first step S1 the material components necessary for the production of the material composition 1 according to the invention are provided, namely in a first substep S 1 a the fiber material 10 or with individual fibers 11 or sections of fibers 11 and in a second partial step S1 b is the resin material 20 used for the embedding matrix.
  • the partial steps can be carried out in parallel or in series, as shown. This is also shown schematically in FIG. 2A.
  • the fiber material 10 is then introduced into the resin material 20. This also includes a process of mixing.
  • a vessel 50 of a pressing device 70 or molding press 70 is provided, which also serves as a mold or molding vessel during compression, to give the Gem isch of fiber material 1 0 and resin material 20 during pressing a corresponding desired shape ,
  • the vessel 50 of the pressing device 70 is closed with a punch element 60 and subjected to a corresponding pressing force F in the subsequent step S3 and in FIG. 2C, on the basis of which the mixture of fiber material 10 and resin material 20 in the interior 50i of the vessel 50 o- the mold 50 of the pressing device 70 is compressed under the pressing pressure p, so that therefrom the material composition 1 of the invention, optionally already as a tool 1 'or a preform according to FIG. 2D thereof arises.
  • a final temperature treatment or a tempering can then take place, for. B. for more intimately bonding, curing and / or homogenizing the compressed components. This is schematically indicated in Fig. 2E.
  • a coating 30 and / or impregnation 40 with a coating material 30 ' can then be applied to surface regions 1a or the entire surface 1a of the resulting compressed material composition 1 or the tool 1' or its preform. or an impregnating material 40 'are formed to refine the surface 1 a of the inventive material composition 1 or the tool 1' or its preform, z. B. to harden and / or seal. This is schematically indicated in Fig. 2F.
  • the process ending step S6 then follows.
  • the production parameters in particular the selection of the resin, the resin content, the selection of the fiber type, the fiber length and the material density to be achieved, it is possible to achieve the mechanical, thermal and / or electrical properties in a particularly simple and sustainable manner the material composition 1 according to the invention and according to the tool 1 'according to the invention.
  • stamp element 60 stamp, stamp element

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Materialzusammensetzung (1) und ein Herstellungsverfahren für eine Materialzusammensetzung (1), insbesondere als ein oder für ein temperaturbeständiges Werkzeug (1'). Kernidee ist dabei, ein temperaturbeständiges Fasermaterial (10) in ein temperaturbeständiges Harzmaterial (20) als Matrix einzubringen (S2) und unter Druck auf eine Dich- te im Bereich von etwa 0,4 g/cm³ bis etwa 0,8 g/cm³ zu verpressen (S3).

Description

MATERIALZUSAMMENSETZUNG ALS E IN ODER FÜR E IN WERKZEUG
UND VERFAHREN ZUM H ERSTELLEN EINER MATERIALZUSAMMENSETZUNG
GEB IET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug und ein Verfahren zum Herstellen einer Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch verdichtete fasergefüllte Harzkörper zur Verwendung als Werkzeugmaterial oder Toolingmaterial für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, also insbesondere für Werkzeuge, die zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen geeignet sind.
H INTERGRUN D DER ERFINDU NG
Bei der Herstellung moderner Werkstoffe, insbesondere von Faserverbundwerkstoffen, z. B. im Bereich der Raumfahrt- oder Luftfahrtindustrie, werden besonders hohe Anforderungen an die die Faserverbundwerkstoffe erzeugenden Werkzeuge gestellt. Dies betrifft steigende Ansprüche im Hinblick auf die Druckfestigkeit, eine möglichst geringe thermische Ausdehnung und eine Temperaturbeständigkeit, vorzugsweise im Bereich von etwa 200°C, und dies bei einem möglichst geringen Gewicht und geringen Herstellungs- und Materialkosten.
All diese Aspekte sind m it herkömm lichen Materialzusammensetzungen und Werkzeugen und deren Herstellungsverfahren kaum oder nur mit einem unverhältnismäßig hohem Aufwand realisierbar. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDU NG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug und insbesondere eine Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug selbst anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise die Anforderungen im Hinblick auf eine möglichst hohe Druckfestigkeit, eine möglichst geringe thermische Ausdehnung, eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit in einem gewünschten Temperaturbereich bei niedrigem Gewicht und möglichst geringen Herstellungs- und Materialkosten erreicht werden können.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden bei einem Verfahren zum Herstellen einer Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug erfindungsgemäß m it den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden des Weiteren bei einer Materialzusammensetzung als ein oder für ein Werkzeug erfindungsgemäß m it den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Herstellen einer Materialzusammensetzung, insbesondere als ein oder für ein Werkzeug, bei welchem ein Fasermaterial in ein temperaturbeständiges Harzmaterial als Matrix eingebracht und unter Druck auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3 verpresst wird.
Es ist somit eine Kernidee des erfindungsgemäßen Verfahrens, in ein temperaturbeständiges Harzmaterial ein entsprechendes Fasermaterial einzubringen und unter Druck eine Dichte der Materialzusammensetzung im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3 zu erzeugen, um dadurch besonders vorteilhafte mechanische, elektrische und/oder thermische Eigenschaften in der sich ergebenden Materialzusammensetzung und entsprechend bei Anwendungen in einem herzustellenden Werkstück oder -zeug zu erzielen. Insbesondere können m it derartig erfindungsgemäß vorgesehenen Dichten besonders hohe Druckfestigkeiten im Bereich von etwa 1 0 MPa bis etwa 60 MPa erreicht werden, wobei thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 1 - 1 0" 6/K bis etwa 3- 1 0"6/K möglich sind.
Die Materialzusammensetzung kann vorzugsweise auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,5 g/cm3 bis etwa 0,7 g/cm3 verpresst werden. Bei dieser Wahl der Verpressdichten ergeben sich besonders bevorzugte Eigenschaften für die sich ergebende hinsichtlich ihrer mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften der Materialzusammensetzung.
Das Fasermaterial kann mit oder aus Fasern gebildet sein oder werden, die temperaturbeständig sind. Eine besonders geeignete Temperaturbeständigkeit ergibt sich, wenn das zu Grunde liegende Fasermaterial insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C temperaturbeständig ist.
Das Fasermaterial kann m it oder aus Fasern mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe gebildet sein oder werden, die Polyacrylnitril, oxidiertes Polyacrylnitril, Kohlenstoff, Glas, Aramid, Polybenzim idazol und deren Kombinationen aufweist. Durch die Wahl dieser Fasermaterialien oder deren Kombination ist eine weitere Verbesserung der mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften, insbesondere aber im H inblick auf die therm ische Beständigkeit, möglich.
Das Fasermaterial kann mit oder aus Fasern gebildet sein oder werden, die mahlgeschnitten sind oder werden, eine m ittlere Faserlänge im Bereich von etwa 0, 1 mm bis etwa 60 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 1 0 mm , und/oder als Recyclingmaterial ausgebildet sind oder werden, insbesondere aus einem Nadelfilzerzeugnis. Je nach den gewünschten Eigenschaften kann auf die Verteilung der Faserlängen, insbesondere auf die m ittlere Faserlänge, des zugrunde liegenden Fasermaterials Einfluss ge- nommen werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass im Rahmen eines Recyclingprozesses aus anderen Produktionszweigen anfallende Restmaterialien verwendet und aufgenommen werden können, z. B. bei der Produktion von Nadelfilzerzeugnissen, bei der Produktion von Faserverbundwerkstoffen oder dergleichen.
Das Fasermaterial kann aber auch aus faserigen Restmaterialien aus einem Recyclingprozess von Faserverbundwerkstoffen gebildet sein oder werden, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
Das Harzmaterial kann m it oder aus einem oder mehreren Materialien gebildet sein oder werden, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
Das Harzmaterial kann m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe gebildet sein oder werden, die Harzmaterialien in Pulverform , Phenolharze, Bismaleinim id, Polyphenylensulfid, Polyetherketone oder PEEK- Materialien und deren Kombinationen aufweist. Auch durch die entsprechende Wahl der dem Harzmaterial zugrunde liegenden Materialien und ihrer Eigenschaften können die Eigenschaften der sich ergebenden Materialzusammensetzung und insbesondere eines zu erzeugenden Werkzeugs beeinflusst und positiv gestaltet werden.
Beim und/oder nach dem Verpressen kann eine Endtemperaturbehandlung oder ein Tempern durchgeführt werden, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 220°C und/oder für eine Zeitspanne im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden. Durch eine Temperaturbehandlung oder ein Tempern können die Eigenschaften der sich ergebenden Materialzusammensetzung und insbesondere des zu erzeugenden Werkzeugs, gerade im Hinblick auf eine besonders hohe Druckfestigkeit, positiv beeinflusst werden. Oberflächenbereiche der Materialzusammensetzung können ganz oder teilweise m it einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien als Beschichtung und/oder einem oder mehreren Imprägniermaterialien als Imprägnierung, insbesondere m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe, die CFK-Materialien, CFK-Prepregs, Oberflächenharze, Epoxidharze, Hochtemperaturepoxidharze und/oder deren Kombinationen, beschichtet bzw. imprägniert werden. Durch die Verwendung einer Beschichtung und/oder Imprägnierung können die Grenzflächeneigenschaften der sich ergebenden Materialzusammensetzung und insbesondere des zu erzeugenden Werkzeugs positiv beein- flusst werden.
Die Materialzusammensetzung kann zu einem Werkzeug geformt werden, z. B. (a) durch Ausführen des Pressens in oder m it einem entsprechenden Formwerkzeug und/oder (b) durch mechanische Nachbehandlung nach dem Pressen und/oder während und/oder nach einem thermischen Nachbehandeln. Grundsätzlich kann die Materialzusammensetzung in beliebiger Art und Weise, entweder bei ihrer Entstehung oder aber im Nachhinein, geändert und bearbeitet werden, um ein entsprechendes Werkzeug auszubilden, solange grundlegende Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung und ihre Vorteile nicht gefährdet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Materialzusammensetzung als solche insbesondere als ein oder für ein Werkzeug geschaffen, bei welcher ein Fasermaterial in ein temperaturbeständiges
Harzmaterial als Matrix eingebracht und die Materialzusammensetzung unter Druck auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3 ver- presst ist.
Die Materialzusammensetzung kann vorzugsweise auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,5 g/cm3 bis etwa 0,7 g/cm3 verpresst sein. Das Fasermaterial kann m it oder aus Fasern gebildet sein, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
Das Fasermaterial kann zusätzlich oder alternativ mit oder aus Fasern mit o- der aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe gebildet sein, die Polyacrylnitril, oxidiertes Polyacrylnitril, Kohlenstoff, Glas, Aramid, Polybenzi- midazol und deren Kombinationen aufweist.
Ferner kann das Fasermaterial m it oder aus Fasern gebildet sein, die mahlgeschnitten sind oder werden, eine m ittlere Faserlänge im Bereich von etwa 0, 1 mm bis etwa 60 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 1 0 mm , und/oder als Recyclingmaterial ausgebildet sind oder werden, insbesondere aus einem Nadelfilzerzeugnis.
Das Fasermaterial kann aber auch aus faserigen Restmaterialien aus einem Recyclingprozess von Faserverbundwerkstoffen gebildet sein, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
Das Harzmaterial kann m it oder aus einem oder mehreren Materialien gebildet sein, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
Auch kann das Harzmaterial m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe gebildet sein, die Harzmaterialien in Pulverform , Phenolharze, Bismaleinimid, Polyphenylensulfid, Polyetherketone oder PEEK-Materialien und deren Kombinationen aufweist.
Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung kann endtemperaturbehan- delt oder getempert ausgebildet sein, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 220°C und/oder für eine Zeitspanne im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden. Oberflächenbereiche können ganz oder teilweise m it einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien als Beschichtung und/oder einem oder mehreren Imprägniermaterialien als Imprägnierung, insbesondere m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe, die CFK-Materialien, CFK- Prepregs, Oberflächenharze, Epoxidharze, Hochtemperaturepoxidharze und/oder deren Kombinationen aufweist, beschichtet bzw. imprägniert sein.
Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung kann zu einem (a) m it einem Formwerkzeug ausgebildetem oder zu einem (b) mechanisch nachgebe- handeltem Werkzeug geformt sein.
Diese und weitere Aspekte werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. 1 zeigt in Form eines schematischen Flussdiagramms Aspekte einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Materialzusammensetzung, insbesondere als ein oder für ein Werkzeug.
Fig. 2A - F zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Zwischenzustände, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden können.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt m iteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden. Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch verdichtete fasergefüllte Harzkörper und deren Herstellung sowie deren Verwendung als Werkzeugmaterial oder Toolingmaterial für Werkzeuge für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen oder dergleichen.
Insbesondere bei der Herstellung großformatiger Faserverbundwerkstoffteile, z. B. m ittels eines so genannten Vakuumsackverfahrens, werden - insbesondere in der Raumfahrt- oder Luftfahrtindustrie - hohe Anforderungen an die entsprechenden Werkzeuge oder Toolingwerkzeuge gestellt, insbesondere im Hinblick auf eine hohe Druckfestigkeit, eine geringe thermische Ausdehnung, eine hohe Temperaturbeständigkeit, z. B. in einem Bereich bis zu etwa 200°C oder 220°C, ein niedriges Gewicht und dergleichen, und dies bei möglichst geringen Materialkosten und/oder Herstellungskosten.
Aktuell von der Anmelderin verwendete Materialien können diese Eigenschaften nicht in vollem Umfang erfüllen, teils weil dies bei großen Bauteilen zu einem zu hohen Gewicht führt, teils weil die therm ische Stabilität in dem zu Grunde zu legenden Temperaturbereich nicht ausreichend ist, oder einfach aus Kostengründen.
Die erfindungsgemäße Lösung schlägt ein Material oder eine Materialklasse mit einem entsprechenden Herstellungsverfahren vor, welche auf verdichteten und harzgebundenen Fasern basieren. Die neue Materialklasse ist insbesondere für den Einsatz als Werkzeugmaterial oder Toolingmaterial eignet. Dabei wird als Bindermaterial ein temperaturbeständiges Harzsystem verwendet, z. B. ein Phenolharz, insbesondere auf Pulverbasis.
Die Fasern können z. B. auch mahlgeschnittene, oxidierte Polyacrylnitril- oder PAN-Fasern sein. Deren Faserlänge beträgt vorzugsweise 1 mm bis 1 0 mm , wobei jedoch allgemeiner auch m ittlere Faserlängen im Bereich von etwa 0, 1 mm bis etwa 60 mm denkbar sind.
Zwar können handelsübliche Endlosfasern zum Mahlschneiden verwendet werden. Aus Kostengründen können jedoch oft auch Reste aus anderen Produktionsbereichen eingesetzt werden, z. B. aus einer Nadelfilzproduktion. Dabei können die Reste z. B. sowohl aus gekräuseltem als auch aus Endlosfasern bestehen.
Es können aber auch preisgünstige Produkte aus Recyclingprozessen von Faserverbundwerkstoffen verwendet werden.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass insbesondere nicht carbonisierte Fasern zum Einsatz kommen können und/oder auch nicht carbonisierte Harzmaterialien. Beides führt zu erheblichen Kosteneinsparungen, weil der entsprechende Produktions-, Energie- und Zeitaufwand entfallen, ohne dass es zu nennenswerten Verschlechterungen in den geforderten Eigenschaftenprofilen kommt.
Über den bei der Herstellung aufzuwendenden Pressdruck und die sich daraus ergebende Dichte des Materials kann in weiten Bereichen die Druckfestigkeit, auf welche gemäß den oben geführten Darlegungen besonderen Wert gelegt werden muss, Einfluss genommen werden. Dabei sind prinzipiell auch Dichten von mehr als 0,8 g/cm3 möglich. Die praktikable Zieldichte liegt vorteilhafterweise im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3. Es ergeben sich dabei Druckfestigkeiten im Bereich von etwa 1 0 MPa bis etwa 60 MPa. In diesem Bereich liegt die thermische Ausdehnung bei 200°C etwa im Bereich von 1■ 1 0"6/K bis etwa 3- 1 0"6/K.
Im Hinblick auf die weiteren Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung ergeben sich z. B. für die thermische Leitfähigkeit Werte im Bereich von etwa 0,25 W/mK bis etwa 0,50 W/mK.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorgehens kann sich der eigentlich anzuwendende Pressvorgang auch unterteilen in ein so genanntes Vorpressen oder Vorverdichten, welches auch mehrfach erfolgen kann und dem eigentlichen Pressvorgang, m it welchem die Zieldichte der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung eingestellt wird.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt in Form eines schematischen Flussdiagramms Details einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Materialzusammensetzung 1 für ein Werkzeug 1 '.
In einem vorbereitenden Schritt SO werden alle Maßnahmen ergriffen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig sind.
In einem ersten Schritt S1 werden die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung 1 notwendigen materiellen Komponenten bereitgestellt, näm lich in einem ersten Teilschritt S 1 a das Fasermaterial 1 0 m it oder aus einzelnen Fasern 1 1 oder Abschnitten von Fasern 1 1 und in einem zweiten Teilschritt S1 b das für die einbettende Matrix verwendete Harzmaterial 20. Die Teilschritte können - wie gezeigt - parallel oder seriell ausgeführt werden. Dies ist schematisch auch in Fig. 2A dargestellt. In einem nachfolgenden zweiten Schritt S2 wird dann das Fasermaterial 1 0 in das Harzmaterial 20 eingebracht. Dies beinhaltet auch einen Prozess des Durchmischens.
In der in Fig. 2B dargestellten Ausführungsform ist dafür ein Gefäß 50 einer Presseinrichtung 70 oder Formpresse 70 vorgesehen, welches auch als Form oder Formgefäß beim Verpressen dient, um dem Gem isch aus Fasermaterial 1 0 und Harzmaterial 20 beim Verpressen eine entsprechend gewünschte Form zu geben.
Das Gefäß 50 der Pressvorrichtung 70 wird m it einem Stempelelement 60 verschlossen und im nachfolgenden Schritt S3 und gemäß Fig. 2C m it einer entsprechenden Presskraft F beaufschlagt, aufgrund derer dann das Gem isch aus Fasermaterial 1 0 und Harzmaterial 20 im Inneren 50i des Gefäßes 50 o- der der Pressform 50 der Presseinrichtung 70 unter dem Pressdruck p verdichtet wird, so dass daraus die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung 1 , gegebenenfalls bereits als Werkzeug 1 ' oder eine Vorform gemäß Fig. 2D davon entsteht.
In einem nachfolgenden ersten optionalen Nachbearbeitungsschritt S4 können dann eine Endtemperaturbehandlung oder ein Tempern erfolgen, z. B. zum innigeren Verbinden, Aushärten und/oder Homogenisieren der verpressten Komponenten. Dies ist schematisch auch in Fig. 2E angedeutet.
In einem weiteren alternativen oder zusätzlichen und darüber hinaus optionalen Weiterverarbeitungsschritt S5 kann dann an Oberflächenbereichen 1 a oder der gesamten Oberfläche 1 a der erhaltenen verpressten Materialzusammensetzung 1 oder des Werkzeugs 1 ' oder deren Vorform eine Beschichtung 30 und/oder Imprägnierung 40 mit einem Beschichtungsmaterial 30' bzw. einem Imprägniermaterial 40' ausgebildet werden, um die Oberfläche 1 a der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung 1 oder des Werkzeugs 1 ' oder deren Vorform zu veredeln, z. B. zu härten und/oder abzudichten. Dies ist schematisch auch in Fig. 2F angedeutet. Es folgt dann noch der das Verfahren beendende Schritt S6.
Trotz des erheblichen Mehraufwands, m it welchem auch entsprechende Kosten einhergehen, können sich doch auch Prozesse des Carbonisierens anschließen, insbesondere des Fasermaterials 1 0 und/oder des Harzmaterials 20, um z. B. den Elastizitätsmodul weiter zu steigern, die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit zu erhöhen und/oder die Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung 1 oder des erfindungsgemäßen Werkzeugs 1 ' zu verbessern; dies ist jedoch nicht zwingend notwendig und es ist gerade ein Vorteil eines Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass auf das Carbonisieren verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß ist es also durch Wahl der Herstellungsparameter, insbesondere also der Auswahl des Harzes, des Harzgehalts, der Auswahl der Faserart, der Faserlänge und der zu erzielenden Materialdichte möglich, auf besonders einfache und nachhaltige Art und Weise die mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung 1 und entsprechend des erfindungsgemäßen Werkzeugs 1 ' zu gestalten.
BEZUGSZE ICHENLISTE
1 erfindungsgemäße Materialzusammensetzung oder deren Vorform
1 a Oberfläche, Oberflächenbereich
r erfindungsgemäßes Werkzeug oder dessen Vorform
1 0 Fasermaterial
1 0' Faser, Einzelfaser, Filament, Einzelfilament oder deren Abschnitt
20 Harzmaterial
30 Beschichtung
30' Beschichtungsmaterial
40 Imprägnierung
40' Imprägniermaterial
50 Gefäß, Pressform, Form
60 Stempel, Stempelelement
70 Pressvorrichtung, Formwerkzeug, Formpresse
1 00 Materialm ischung
F Presskraft
P Pressdruck

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Herstellen einer Materialzusammensetzung (1 ) als ein oder für ein Werkzeug (1 '),
bei welchem ein Fasermaterial (1 0) in ein temperaturbeständiges Harzmaterial (20) als Matrix eingebracht (S2) und die Materialzusammensetzung (1 ) unter Druck auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3 verpresst wird (S3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei welchem die Materialzusammensetzung (1 ) auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,5 g/cm3 bis etwa 0,7 g/cm3 verpresst wird (S3).
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Fasermaterial (1 0) m it oder aus Fasern (1 1 ) gebildet ist oder wird, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Fasermaterial (1 0) mit oder aus Fasern (1 1 ) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (1 0') aus der Gruppe gebildet ist oder wird, die Polyacrylnitril, oxidiertes Polyacrylnitril, Glas, Kohlenstoff, Aram id, Polybenzim idazol und deren Kombinationen aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Fasermaterial (1 0) m it oder aus Fasern (1 1 ) gebildet ist oder wird, die mahlgeschnitten sind oder werden, eine m ittlere Faserlänge im Bereich von etwa 0, 1 mm bis etwa 60 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 1 0 mm, und/oder als Recyclingmaterial ausgebildet sind oder werden, insbesondere aus einem Nadelfilzerzeugnis oder aus einem Recyclingprozess von Faserverbundwerkstoffen.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Harzmaterial (20) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (20') gebildet ist oder wird, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Harzmaterial (20) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (20') aus der Gruppe gebildet ist oder wird, die Harzmaterialien in Pulverform , Phenolharze, Bismaleinimid, Polyphenylensulfid, Polyetherketone oder PEEK-Materialien und deren Kombinationen aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem beim und/oder nach dem Verpressen (S3) eine Endtemperaturbehandlung (S4) oder ein Tempern (S4) durchgeführt werden,
insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 220°C und/oder für eine Zeitspanne im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem - insbesondere ausgebildete - Oberflächenbereiche der Materialzusammensetzung (1 ) ganz oder teilweise m it einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien (30') als Beschichtung (30) und/oder einem oder mehreren Imprägniermaterialien (40) als Imprägnierung (40), insbesondere m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe, die CFK-Materialien, CFK-Prepregs, Oberflächenharze, Epoxidharze, Hochtemperaturepoxidharze und/oder deren Kombinationen aufweist, beschichtet bzw. imprägniert werden.
1 0. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Materialzusammensetzung (1 ) zu einem Werkzeug (1 ') geformt wird,
(a) durch Ausführen des Pressens (S3) in oder m it einem entsprechenden Formwerkzeug (70) und/oder (b) durch mechanische Nachbehandlung nach dem Pressen (S3) und/oder während und/oder nach einem thermischen Nachbehandeln (S4).
1 1 . Materialzusammensetzung (1 ) als ein oder für ein Werkzeug (1 '),
bei welcher ein Fasermaterial (1 0) in ein temperaturbeständiges Harzmaterial (20) als Matrix eingebracht (S2) und die Materialzusammensetzung (1 ) unter Druck auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis etwa 0,8 g/cm3 verpresst ist (S3).
12. Materialzusammensetzung (1 ) nach Anspruch 1 1 ,
bei welcher die Materialzusammensetzung (1 ) auf eine Dichte im Bereich von etwa 0,5 g/cm3 bis etwa 0,7 g/cm3 verpresst ist (S3).
1 3. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 oder 12,
bei welcher das Fasermaterial (1 0) m it oder aus Fasern (1 1 ) gebildet ist, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
14. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 1 3,
bei welcher das Fasermaterial (1 0) m it oder aus Fasern (1 1 ) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (1 0') aus der Gruppe gebildet ist, die Polyacrylnitril, oxidiertes Polyacrylnitril, Kohlenstoff, Glas, Aram id, Polyben- zimidazol und deren Kombinationen aufweist.
1 5. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 14,
bei welcher das Fasermaterial (1 0) mit oder aus Fasern (1 1 ) gebildet ist, die mahlgeschnitten sind oder werden, eine m ittlere Faserlänge im Bereich von etwa 0, 1 mm bis etwa 60 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 1 0 mm , und/oder als Recyclingmaterial ausgebildet sind oder werden, insbesondere aus einem Nadelfilzerzeugnis oder aus einem Re- cyclingprozess von Faserverbundwerkstoffen.
16. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 1 5,
bei welcher das Harzmaterial (20) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (20') gebildet ist, die temperaturbeständig sind, insbesondere bis zu einer Temperatur im Bereich bis etwa 220°C.
1 7. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 16,
bei welcher das Harzmaterial (20) m it oder aus einem oder mehreren Materialien (20') aus der Gruppe gebildet ist, die Harzmaterialien in Pulverform, Phenolharze, Bismaleinim id, Polyphenylensulfid, Polyetherketone oder PEEK-Materialien und deren Kombinationen aufweist.
1 8. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 1 7,
welche endtemperaturbehandelt oder getempert ausgebildet ist, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 220°C und/oder für eine Zeitspanne im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden.
1 9. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 1 8,
bei welcher - insbesondere ausgebildete - Oberflächenbereiche ganz oder teilweise m it einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien (30') als Beschichtung (30) und/oder einem oder mehreren Imprägniermaterialien (40) als Imprägnierung (40), insbesondere m it oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe, die CFK-Materialien, CFK-Prepregs, Oberflächenharze, Epoxidharze, Hochtemperaturepoxidharze und/oder deren Kombinationen aufweist, beschichtet bzw. imprägniert sind.
20. Materialzusammensetzung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 1 9,
welche zu einem (a) m it einem Formwerkzeug (70) ausgebildeten oder zu einem (b) mechanisch nachbehandelten Werkzeug (1 ') geformt ist.
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