WO2016001049A1 - One-shot hd-rtm-verfahren - Google Patents

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WO2016001049A1
WO2016001049A1 PCT/EP2015/064335 EP2015064335W WO2016001049A1 WO 2016001049 A1 WO2016001049 A1 WO 2016001049A1 EP 2015064335 W EP2015064335 W EP 2015064335W WO 2016001049 A1 WO2016001049 A1 WO 2016001049A1
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WO
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foam
resin
foam core
heating
press
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Application number
PCT/EP2015/064335
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arnim Kraatz
Rainer Zimmermann
Original Assignee
Evonik Röhm Gmbh
ZIMMERMANN, Cornelia
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Publication date
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    • B32B2266/0278—Polyurethane

Definitions

  • the invention relates to a process for producing composites with a poly (meth) acrylimide (P (M) I), in particular a polymethacrylimide (PMI) foam core.
  • P (M) I poly (meth) acrylimide
  • PMI polymethacrylimide
  • the method is characterized in that the foam material is first coated with one or two layers or the like of a fiber material and then heated in a device by means of near IR radiation. Then, the heated semi-finished product is transferred to a press with heated clamshell tools, there injected into the fiber material, a resin and then cured under molding.
  • rigid foams are understood as meaning foams which can not be mechanically deformed with low forces, such as commercially available PU or polystyrene foams, and then reset again.
  • rigid foams are, in particular, PP, PMMA or highly crosslinked PU foams.
  • a particularly strong resilient hard foam material is poly (meth) acrylimide (PMI), as sold for example by the company Evonik under the name ROHACELL ®.
  • a well-known method for producing described composite materials is the shaping of the cover layers with subsequent filling of the foam raw material and its final foaming. Such a method is described, for example, in US Pat. No. 4,933,131
  • a disadvantage of this method is that the foaming is usually very uneven. This is especially true for materials such as PMI, which can be added as granules at best.
  • Another disadvantage of such a method is that for the formation of a pure foam material, the cover layers would have to be removed again. In case of
  • WO 02/098637 describes a process in which a thermoplastic cover material is melt-applied to the surface of a foam core material, then molded together with the foam core into a composite molding by means of a twin-sheet process, and then the thermoplastic is cooled in such a way. that the cover material solidifies in the mold.
  • a limited number of materials can be combined with this process. For example, fiber-reinforced cover materials can not be produced.
  • the method for the mere shaping of a foam workpiece without cover materials is not applicable.
  • the selection of the foam materials is limited to elastically deformable materials at low temperatures. A rigid foam would be structurally too damaged in such a process without uniform heating of the display material.
  • thermoplastic material injected onto the surface.
  • the foamed core blank is foamed thereon, which results in pressing on the surface of the covering material.
  • polyacrylimides or mixtures thereof understood.
  • (meth) acrylic acid is understood to mean both methacrylic acid and acrylic acid and mixtures of these two.
  • rigid foams made of polypropylene (PP) or highly crosslinked polyurethane (PU) can also be processed into foam cores in composite materials using the process according to the invention.
  • PP foams are known above all as insulation material, in transport containers and as sandwich material. PP foams can contain fillers and are usually commercially available in a density range between 20 and 200 kg / m 3 .
  • PU rigid foams in turn are distinguished from PU flexible foams by a
  • PU rigid foams may additionally contain larger amounts of inorganic fillers.
  • Cover layers and an intermediate foam core are characterized in particular by the following process steps: a) covering the foam core with a fiber material, b) heating the foam core and the fiber material in a heating station with near infrared radiation (NIR radiation), c) transferring the heated e) injection of a resin into the fiber material, f) heating the tool shells to the curing temperature of the resin, g) cooling the tool shells to a demolding temperature and h ) Open the press and remove the composite material.
  • the foam core is coated with the fiber material, which will be an integral part of the cover layers in the end product.
  • the fibers may in particular be carbon, glass, polymer, textile or aramid fibers. In particular, short carbon and glass fibers are preferred.
  • the choice of the shape of the cover material is relatively free. It may be, for example, tissue, knits, scrims or composites. Also possible, but in the execution rather problematic, the fibers in the form of a
  • the individual fibers are preferably by means of small amounts of an adhesive or a
  • said adhesive in the final product forms only a very small part of the matrix material of the outer layers next to the resin injected in step e).
  • the foam cores are inserted into the machine-side effective range of the heating fields of the heating station.
  • NIR radiation having a wavelength between 0.78 and 1, 40 ⁇ m is suitable. It proves to be particularly favorable if the foam core and the fiber material are already clamped in the transport device during the heating process.
  • the radiation intensity usually has to be for firmer materials, a higher material density, a larger material thickness and a greater distance to the
  • Radiation sources are increased. Furthermore, the radiation intensity can be varied depending on the degree of transformation to be achieved. The radiation intensity is usually adjusted so that in the middle of the foam core, a temperature between 170 and 250 ° C is achieved.
  • German Patent Application No. 102013223353.1 Compared to the method described in German Patent Application No. 102013223353.1 is to work in the inventive method due to the slightly insulating acting fiber materials on the surface of the foam core with a slightly longer heating time.
  • the heating station has a plurality of NIR light sources, so that the surface of the foam core is heated uniformly.
  • the foam core is up to
  • Plasticizing temperature of the foam material heated Surprisingly, it has been found that by the gentle heating of the material in process step b) a plastic deformability can be brought about by a uniform heat input, without at the same time causing damage to the material. In particular, for example, when heated in an oven too Observing damage to the hard foam surface will not occur if the present process is carried out properly.
  • the thermal radiation of the NIR spectral range used penetrates the gas phase of the foam cells without absorption and causes a direct heating of the cell wall matrix. Particularly surprisingly, it was found that by such
  • Heating with NIR radiation a particularly uniform heat distribution can be achieved even in thicker foam cores.
  • this transport device is provided with a linear motor drive.
  • the foam core and the fiber material are already entering the heating station in a connected to the travel frame
  • the fibers forming the cover layers are positioned in a clamping frame between the tool halves.
  • the material is fixed in the device by means of a hold-down frame to prevent slippage.
  • the material to be processed is e.g. a few inches above the
  • process step d) Before the press is closed in process step d), it is optionally possible to preform the heated foam core by means of compressed air. This can lead to even better results, especially for composite components with a strong curvature.
  • process step d) followed by the closing of the press the press a bivalve
  • Tool shells and the applied fiber cover layer causes. Direct contact in this case does not necessarily mean that this must be done nationwide. Rather, the distance between the foam core and the surface of the tool shell may be slightly larger than the blocks of the intermediate fiber material. However, this difference is preferably at most 5 cm, more preferably at most 2 cm and most preferably the distance is approximately equal to the thickness of the fiber material. Furthermore, the clam-shell tool has a shape which acts during molding on the composite component.
  • adhesion promoters are used. These adhesion promoters may be contained in the resin forming the matrix material of the decks. Alternatively, the adhesion promoters can also be applied to the surface of the fiber material or of the foam core before being brought together. Alternatively, suitable adhesives may be used in this procedure. As adhesion promoters, in particular polyamides or poly (meth) acrylates have as proved suitable. However, it is also possible to use low molecular weight compounds which are known to the person skilled in the art from the preparation of composite materials, in particular as a function of the matrix material used for the covering layer.
  • the injection of the resin takes place.
  • the injection can take place simultaneously at several points. In this way, a particularly rapid and complete penetration of the fiber material with the resin is possible.
  • the injection can also take place at the highest point of the interior of the tool. Preferably, the tool is previously rotated such that the vertical orientation of the interior is the longest.
  • the tool for discharging the displaced air further comprises one or more venting devices.
  • the tool may also be agitated, in particular shaken or rotated, during the injection to assist in a more uniform and faster distribution of the resin.
  • the resin in particular, vinyl ester resins, epoxy resins, isocyanate resins or acrylate resins can be used. Particular preference is given to epoxy resins and vinyl ester resins.
  • the precise selection of the resin is generally easy for a person skilled in the art of composite production to make. The only limiting factor is that the resin must be deliverable and be applied by injection. As a result, liquid resins with one to the present
  • Injection device to select appropriate viscosity.
  • thermoplastics can also be injected.
  • Such a material has the disadvantage of a significantly reduced strength compared to the curing systems.
  • the cover layers e.g. thermally
  • the cover layers can be easily removed again from the foam core.
  • the foam core whose uppermost send u.U. would have to be removed, and recover the fiber material.
  • plastics may in particular be PP, polyethylene (PE), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), a polyester or a polyamide.
  • process step f) takes place as after the closing of the press and thereby taking place
  • Tool shells on the curing temperature of the resin Due to the direct contact between the tool shells and the cover material can be done very fast curing of the resin.
  • the temperature used to cure the resin depends on the particular resin used and is easily ascertainable by those skilled in the art. As a rule, such are
  • the preferred temperatures for the foaming of the foam core temperatures between 170 and 250 ° C for most Resin systems suitable.
  • the curing of the resin may be carried out in another heating station.
  • Demolding temperature instead. This can be done, for example, that the
  • the demolding temperature is material-dependent and easy to determine for the expert. It depends on the one hand on the plasticity of the foam core and primarily on the surface properties of the cover material. This should be firm at the demolding temperature and have the lowest possible tackiness with respect to the surface of the tool shells. For example, a suitable demolding temperature may already be below 80 ° C.
  • this temperature can be additionally increased to improve the cycle times.
  • silicone oils or aliphatic oils can come to the fore as mold release agents.
  • Composite material are removed and then the procedural framework are moved back to be reassigned.
  • the removed workpiece can be subjected to a further aftertreatment.
  • the incision pins of the resin can be cut off, sawn off or milled off.
  • a surface treatment of the semifinished product such as a grinding, polishing or painting is possible.
  • the product can also be cut into several semi-finished products by cutting or sawing.
  • the inventive method has the particular advantage that it can be carried out with very low cycle times and thus can be used very well in a series production.
  • the process is preferably carried out with a cycle time of at most 10 minutes, preferably less than 6 minutes.
  • the process parameters to be selected depend on the design of the system used in the individual case and the materials used. They can easily be determined by a few preliminary tests for the expert.
  • the method according to the invention can also be carried out by means of a twin-sheet method under vacuum or under reduced pressure.
  • the twin-sheet device is designed such that it can be used as a press molding machine.
  • the twin-sheet method is basically characterized in that two or more
  • this method is also produced by the additional process step of preheating the workpieces by irradiation with NIR radiation having a wavelength between 0.78 and 1.mu. ⁇ in process step b) for processing the above-mentioned rigid foam materials , which seemed to be unsuitable according to the prior art, can be processed. Due to the relatively fast feasible heating with said radiation a stress-free, uniform heat distribution throughout the workpiece is achieved. The intensity of the radiation can be varied depending on the used foam material in said range. With additional use of cover materials, the temperature of the heating fields and their intensity are so modified that even at different processing and molding temperatures
  • Foam core and cover materials are formed and joined together.
  • a great advantage of the method according to the invention is that it can be carried out in an environmentally friendly manner and in very short cycle times while at the same time combining several work steps in one process.
  • a preferred material for the foam core is P (M) I, in particular PMI.
  • P (M) I foams are also referred to as rigid foams and are characterized by a particular strength.
  • the P (M) I foams are normally produced in a two-stage process: a) production of a cast polymer and b) foaming of this
  • (Meth) acrylic acid and (meth) acrylonitrile preferably in a molar ratio of between 2: 3 and 3: 2, contained as main components.
  • other comonomers may be used, such as e.g. Esters of acrylic or methacrylic acid, styrene, maleic acid or itaconic acid or their anhydrides or vinylpyrrolidone.
  • the proportion of the comonomers should not be more than 30% by weight.
  • Small amounts of crosslinking monomers, e.g. Allyl acrylate can also be used. However, the amounts should preferably be at most 0.05% by weight to 2.0% by weight.
  • the copolymerization mixture further contains blowing agents which either decompose or vaporize at temperatures of about 150 to 250 ° C to form a gaseous phase.
  • blowing agents which either decompose or vaporize at temperatures of about 150 to 250 ° C to form a gaseous phase.
  • the polymerization takes place below this temperature, so that the cast polymer contains a latent blowing agent.
  • the polymerization suitably takes place in block form between two glass plates.
  • the foaming of the cast polymer then takes place at the appropriate temperature.
  • the preparation of such PMI foams is basically known to the person skilled in the art and can be found, for example, in EP 1 444 293, EP 1 678 244 or WO 201 1/138060 be read.
  • PMI foams in particular ROHACELL ® types of the company Evonik Industries AG may be mentioned.
  • acrylimide foams are to be regarded as analogues for the PMI foams. For toxicological reasons, however, these are much less preferred than other foam materials.
  • the required foam parts can be produced by a suitable choice of the glass plates or by a production by means of an in-mold-foaming. Alternatively, the production of foamed foam plates by cutting, sawing or milling. In this case, preferably several foam parts can be cut from a plate.
  • the density of the rigid foam material is relatively freely selectable.
  • PMI foams can be used in a density range of 25 to 220 kg / m 3 .
  • Composite materials part of the present invention comprise a hard foam core of foamed PP, P (M) I or highly crosslinked PU and two outer layers of at least one cured resin and a fiber material.
  • these composite Materrialien differ in that the cover layers made of a fiber containing cured resin and have no fasteners such as seams, bolts or other force introduction elements.
  • the composite materials according to the invention may differ in that they need not have an adhesive layer between foam core and cover materials.
  • the workpieces of the invention are made of a rigid foam than
  • Composite materials produced according to the invention can be used in particular in mass production, e.g. for bodywork or interior trim in the automotive industry, interior parts in rail vehicle or shipbuilding, in the aerospace industry, in the
  • Fig. 1 Schematic representation of the production of composite components according to the invention A: heating phase; B: shaping
  • the process is carried out on a twin-sheet forming machine such as model T8 from Geiss AG.
  • the machine was equipped in the following configuration:
  • FIG. It is a PMI foam of the type ROHACELL ® WF-HT in the density of 1 10 kg / m 3 and the thickness of 20 mm used.
  • the resin used was Epikote Resin MGS RIMH 135. This was previously added for curing Epikote ® Curing Agent MGS ® RIMH 136th
  • the process parameters to be selected depend on the design of the system used in each case. They must be determined by preliminary tests.
  • the guide temperature T F depends on the T g (S) of the PMI foam matrix, after the forming temperature of the outer layers, after the height adjustment of the upper heating T g (S) ⁇ T F (temperature of the
  • the radiator field intensity (I) can also be varied. Close to the edge of the hold-down, the radiator field intensity I is selected close to 100%, in order to ensure a subsequent flow of the material and at the same time to maintain the clamping of the material.
  • the fiber material It can e.g. Drapable fabrics / fabrics
  • the reshaped foam core is in the heating station by means of IR radiation on a
  • the pressing tool is closed. After closing the tool, liquid epoxy resins were injected into the top and bottom of each mold. After injection of the resin, the tool cavity was heated to a temperature of 180 ° C.
  • the tool After about 3 to 4 minutes, the tool is cooled to below 80 ° C and removed the component. After a reheating of the tool, the production of the next composite component can begin.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem Poly(meth)acrylimid- (P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid- (PMI)Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Schaumwerkstoff zunächst mit ein oder zwei Gelegen oder ähnlichem eines Fasermaterials belegt und anschließend in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird. Daraufhin wird das aufgeheizte Halbzeug in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt, dort in das Fasermaterial ein Harz injiziert und anschließend unter Formgebung ausgehärtet.

Description

One-shot HD-RTM-Verfahren
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem Poly(meth)acrylimid- (P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid- (PMI)Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Schaumwerkstoff zunächst mit ein oder zwei Gelegen oder ähnlichem eines Fasermaterials belegt und anschließend in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird. Daraufhin wird das aufgeheizte Halbzeug in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt, dort in das Fasermaterial ein Harz injiziert und anschließend unter Formgebung ausgehärtet.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen mit einem Hartschaumstoff oder zur Formgebung von harten Schaumwerkstoffen im Allgemeinen beschrieben. Unter Hartschaumstoffen werden im Zusammenhang dieser Erfindung Schaumstoffe verstanden, die sich nicht - wie zum Beispiel handelsübliche PU- oder Polystyrolschaumstoffe - mit geringen Kräften mechanisch verformen lassen und sich anschließend wieder zurückstellen. Beispiel für Hartschaumstoffe sind vor allem PP-, PMMA- oder hochvernetzte PU-Schäume. Ein besonders stark belastbarer harter Schaumwerkstoff ist Poly(meth)acrylimid (PMI), wie er zum Beispiel von der Firma Evonik unter dem Namen ROHACELL® vertrieben wird.
Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung beschriebener Compositematerialien ist die Formgebung der Deckschichten mit anschließender Füllung des Schaumrohmaterials und dessen abschließender Schäumung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in US 4,933, 131
beschrieben. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Schäumung zumeist sehr ungleichmäßig erfolgt. Dies gilt insbesondere für Materialien wie PMI, die bestenfalls als Granulat zugegeben werden können. Ein weiterer Nachteil eines solchen Verfahrens ist, dass zur Formgebung eines reinen Schaumwerkstoffs, die Deckschichten wieder entfernt werden müssten. Im Falle von
Compositebauteilen wiederum ist die Haftung zwischen Deckschichten und dem Schaumkern oft nicht ausreichend für mechanisch belastete Bauteile.
In Passaro et al., Polymer Composites, 25(3), 2004, S.307ff ist ein Verfahren beschrieben bei dem ein PP-Schaumkernstoff mit einem faserverstärkten Kunststoff in einem Presswerkzeug zusammengefügt wird und dabei der Schau mkernstoff mittels des Werkzeugs gezielt nur an der
Oberfläche erhitzt wird, um eine gute Bindung zum Deckmaterial zu ermöglichen. In Grefenstein et al., International SAMPE Symposium and Exhibition, 35 (1 , Adv.Materials: Challenge Next Decade), 1990, S.234-44 ist ein analoges Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Materialien mit einem Wabenkernmaterial oder einem PMI-Schaumkern beschrieben. Eine Formgebung ist mit diesen beiden Verfahren jedoch nicht möglich, sondern nur die Herstellung von Sandwichmaterialien in Plattenform.
In WO 02/098637 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein thermoplastisches Deckmaterial als Schmelze auf die Oberfläche eines Schaumkernmaterials gebracht wird, dann zusammen mit dem Schaumkern zu einem Compositeformteil mittels einem Twin-Sheet-Verfahren geformt wird und anschließend der Thermoplast derart abgekühlt wird, dass das Deckmaterial in der Form erstarrt. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nur eine begrenzte Zahl von Materialien kombinieren. So können zum Beispiel keine Faserverstärkten Deckmaterialien hergestellt werden. Auch ist das Verfahren zur reinen Formgebung eines Schaumwerkstücks ohne Deckmaterialien nicht anwendbar. Weiterhin ist auch die Auswahl der Schaumwerkstoffe auf bei niedrigen Temperaturen elastisch verformbare Materialien beschränkt. Ein Hartschaum würde bei einem solchen Verfahren ohne gleichmäßiges Aufheizen des Schau materials strukturell zu sehr beschädigt.
Sehr ähnlich ist das in EP 0 272 359 beschriebene Verfahren. Hier wird in Schaumkernrohling erst in Form geschnitten und in ein Werkzeug gelegt. Anschließend wird die Schmelze des
thermoplastischen Materials auf die Oberfläche injiziert. Durch eine Temperaturerhöhung wird darauf der Schaumkernrohling aufgeschäumt, wodurch es zu einem Pressen auf die Oberfläche des Deckmaterials kommt. Zwar kann mit diesem Verfahren eine bessere Haftung zu dem Deckmaterial erreicht werden. Dafür ist das Verfahren mit dem zusätzlichen Arbeitsschritt der ersten Formgebung aufwendiger und insgesamt bezüglich der realisierbaren Formen deutlich stärker beschränkt.
In W. Pip, Kunststoffe, 78(3), 1988, S.201-5 ist ein Verfahren zur Herstellung von geformten Compositen mit faserverstärkten Deckschichten und einem PMI-Schaumkern in einem
Presswerkzeug beschrieben. Bei diesem Verfahren erfolgt das Zusammenführen der einzelnen Schichten in einem beheizten Presswerkzeug, wobei eine leichte Formgebung durch ein
Zusammendrücken der obersten Schichten im lokal erhitzten Schaumwerkstoff erfolgt. Gleichzeitig ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch ein Nachschäumen innerhalb des Werkzeugs eine Form gebildet werden kann. Die Nachteile eines solchen Verfahrens wurden bereits zuvor diskutiert. Als dritte Variante ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine elastische Stauchung des Materials während des Pressens eines vorgeheizten Schaummaterials erfolgt. Das Vorheizen erfolgt in einem Ofen. Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass für viele Schaumwerkstoffe sehr hohe Temperaturen zur thermoelastischen Verformung benötigt werden. So werden zum Beispiel für PMI-Schäume Temperaturen von mindestens 185 °C benötigt. Weiterhin muss der
Kernwerkstoff über den gesamten Materialbereich entsprechend aufgeheizt sein, um
Materialbrüche zu vermeiden. Bei solchen Temperaturen, zumal diese in der gleichmäßigen Verteilung nur mit einem längeren Aufheizen von mehreren Minuten möglich sind, würden jedoch viele Deckmaterialien, wie z.B. PP, derart beschädigt, dass der Prozess nicht durchführbar ist. In U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), S. 275-9 ist ein leicht modifiziertes Verfahren der zuvor diskutierten dritten Variante aus Pip für PMI-Schaumkerne offenbart. Hier erfolgt das Aufheizen des PMI-Schaumkerns und der faserverstärkten Deckmaterialien mittels einer IR- Wärmelampe. Solche IR-Wärmestrahler, die vor allem Licht mit Wellenlängen im Bereich zwischen
3 und 50 μιτι (IR-C-, bzw. MIR-Strahlung) abstrahlen, sind besonders gut geeignet für ein schnelles Aufheizen des Substrats. Jedoch ist dabei der Energieeintrag - gewünscht - sehr hoch, was gleichzeitig zur Schädigung vieler Deckmaterialien, wie zum Peispiel PP, führt. So ist in Breuer et al. auch nur Polyamid 12 (PA12) als mögliches Matrixmaterial für die Deckschichten offenbart. PA 12 kann leicht auf über 200 °C erhitzt werden, ohne dass es zu einer Schädigung des Kunststoffes kommt. Eine gleichzeitige Formgebung des Schaumkerns ist in dieser Verfahrensweise nicht möglich, da die Wärmestrahlung des IR-Strahlungsbereiches nicht in die Schaummatrix eindringt und somit kein thermoplastisch formbarer Zustand erreicht wird.
In der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102013223353.1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem Schaumkerne aus PMI mittels IR-Strahlung geeigneter Wellenlänge aufgeheizt und anschließend in eine Presse geführt werden, deren Werkzeuginnenschalen mit Prepregs belegt sind. Dort findet dann gleichzeitig das Aushärten der Prepregs, die Formgebung und die Verbindung der Prepregs mit der Oberfläche des Schaumkerns statt.
Aufgabe
Vor dem Hintergrund des diskutierten Standes der Technik war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem einfach und mit hoher Durchsatzgeschwindigkeit Compositematerialien mit einem P(M)I-Schaumkern ohne strukturelle Schädigung des Schaumkerns hergestellt werden können.
Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem diese Compositematerialien formgebend hergestellt werden und gleichzeitig die Wahl des Oberflächenmaterials relativ frei wählbar ist, ohne dass dieses während der Verarbeitung eine Schädigung erfährt.
Weiterhin sollen unabhängig von den einzelnen als Aufgaben gestellten Ausführungsformen mit dem neuartigen Verfahren schnelle Taktzeiten von deutlich unter 10 min realisierbar sein.
Darüber hinaus bestand die Aufgabe, das Verfahren in besonders wenigen Verfahrensschritten, sehr einfach, schnell und ohne handwerklich anspruchsvolle Arbeitsschritte durchführen zu können. Weitere, an dieser Stelle nicht explizit diskutierte Aufgaben, können sich im Weiteren aus dem Stand der Technik, der Beschreibung, den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen ergeben. Lösung
Im Weiteren werden unter der Formulierung Poly(meth)acrylimid Polymethacrylimide,
Polyacrylimide oder Mischungen daraus verstanden. Entsprechendes gilt für die entsprechenden Monomere wie (Meth)acrylimid bzw. (Meth)acrylsäure. So werden beispielsweise unter dem Begriff (Meth)acrylsäure sowohl Methacrylsäure als auch Acrylsäure sowie Mischungen aus diesen beiden verstanden.
Gelöst werden die Aufgaben durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von
Compositematerialien mit einem Schaumkern aus einem Hartschaum, insbesondere mit einem
Schaumkern aus P(MI), bevorzugt mit einem Schaumkern aus PMI. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem es sich bei dem Schaumwerkstoff des Schaumkerns um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3. Neben P(M)I können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Hartschäume aus Polypropylen (PP) oder aus hochvernetztem Polyurethan (PU) zu Schaumkernen in Composite-Materialien verarbeitet werden.
PP-Schäume sind vor allem als Isolationsmaterial, in Transportbehältern und als Sandwichmaterial bekannt. PP-Schäume können Füllstoffe enthalten und sind zumeist in einem Dichtebereich zwischen 20 bis 200 kg/m3 kommerziell verfügbar.
PU-Hartschäume wiederum zeichnen sich gegenüber PU-Weichschäumen durch eine
geschlossenere Porenstruktur und einen höheren Vernetzungsgrad aus. PU-Hartschäume können zusätzlich größere Mengen anorganischer Füllmaterialien enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei
Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern zeichnet sich insbesondere durch folgende Prozessschritte aus: a) Belegen des Schaumkerns mit einem Fasermaterial, b) Aufheizen des Schaumkerns und des Fasermaterials in einer Heizstation mit naher Infrarot-Strahlung (NIR-Strahlung), c) Überführen des aufgeheizten, mit Fasermaterial belegten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen, d) Schließen der Presse, e) Injektion eines Harzes in das Fasermaterial, f) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes, g) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und h) Öffnen der Presse und Entnahme des Composite-Materials. In Prozessschritt a) wird der Schaumkern mit dem Fasermaterial, welches im Endprodukt integraler Bestandteil der Deckschichten sein wird, belegt. Bei den Fasern kann es sich insbesondere um Kohle-, Glas-, Polymer-, Textil- oder Aramidfasern handeln. Dabei sind insbesondere kurze Kohle- und Glasfasern bevorzugt.
Überraschenderweise ist die Wahl der Form des Deckmaterials relativ frei. Es kann sich dabei beispielsweise um Gewebe, Gestricke, Gelege oder Verbünde daraus handeln. Auch möglich, jedoch in der Ausführung eher problematisch, können die Fasern auch in Form einer
unidirektionalen oder nicht direktionalen Schicht aufgebracht werden. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Fasern bevorzugt mittels kleiner Mengen eines Klebstoffs oder eines
Haftvermittlers miteinander verbunden, wobei dieser Klebstoff im Endprodukt nur einen sehr kleinen Teil des Matrixmaterials der Deckschichten neben dem in Verfahrensschritt e) injizierten Harz bildet.
In Prozessschritt b) erfolgt das Einlegen der Schaumkerne in den maschinenseitigen Wirkbereich der Heizfelder der Heizstation. Bezüglich Prozessschritt b) ist insbesondere eine NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι geeignet, Als besonders günstig erweist es sich dabei, wenn der Schaumkern und das Fasermaterial bereits während des Aufheizens in der Transporteinrichtung eingespannt sind.
Die Strahlungsintensität und -dauer sind dabei von verschiedenen Faktoren abhängig und für den Fachmann mit wenigen Versuchen optimierbar. So sind diese Heizparamter von der
Erweichungstemperatur des verwendeten Schaumwerkstoffs, der Porengröße bzw.
Werkstoffdichte, der Werkstoffdicke und der Distanz der Strahlungsquellen zum Schaumkern abhängig. Die Strahlungsintensität muss in der Regel bei festeren Materialien, einer höheren Werkstoffdichte, einer größeren Werkstoffdicke und einem größeren Abstand zu den
Strahlungsquellen erhöht werden. Weiterhin kann die Strahlungsintensität in Abhängigkeit des zu erzielenden Umformungsgrads variiert werden. Die Strahlungsintensität wird dazu in der Regel so eingestellt, dass in der Mitte des Schaumkerns eine Temperatur zwischen 170 und 250 °C erzielt wird.
Gegenüber dem in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102013223353.1 beschriebenen Verfahren ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der leicht isolierend wirkenden Fasermaterialien auf der Oberfläche des Schaumkerns mit einer etwas längeren Aufheizdauer zu arbeiten.
Bevorzugt weist die Heizstation mehrere NIR-Lichtquellen auf, so dass die Oberfläche des Schaumkerns gleichmäßig aufgeheizt wird. Auf diese Weise wird der Schaumkern bis zur
Plastifizierungstemperatur des Schaum Werkstoffs erhitzt. Überraschend wurde gefunden, dass durch das schonende Erhitzen des Materials in Prozessschritt b) eine plastische Verformbarkeit durch einen gleichmäßigen Wärmeeintrag herbeigeführt werden kann, ohne dass es gleichzeitig zu einer Schädigung des Materials kommt. Insbesondere die z.B. beim Erhitzen in einem Ofen zu beobachtende Schädigung der Hartschaumoberfläche bleibt bei sachgerechter Durchführung des vorliegenden Verfahrens aus. Die Wärmestrahlung des verwendeten NIR-Spektralbereiches durchdringt die Gasphase der Schaumzellen absorptionsfrei und bewirkt ein direktes Erhitzen der Zellwandmatrix. Besonders überraschend wurde dabei gefunden, dass durch ein solches
Aufheizen mit NIR-Strahlung eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung auch in dickeren Schaumkernen erzielt werden kann.
Die Überführung des aufgeheizten Schaumkerns in eine Presse in Prozessschritt c) erfolgt mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen. In der Regel ist diese Transporteinrichtung mit einem linearmotorischen Antrieb versehen. Bevorzugt sind der Schaumkern und das Fasermaterial bereits dem Einfahren in die Heizstation in einem mit dem Verfahrrahmen verbundenen
Spannrahmen eingespannt. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Schaumkern während dieses Transports in Gänze oberhalb der Plastifizierungstemperatur bleibt. Dies kann durch einen kurzen Weg zwischen der Heizstation und der Presse oder bzw. zusätzlich durch eine
entsprechend hohe Umgebungstemperatur auf dieser Strecke, z.B. innerhalb einer Einhausung oder durch zusätzlich NIR-Strahlungsquellen, bewirkt werden. Bevorzugt werden die die Decklagen bildende Fasern in einem Spannrahmen zwischen den Werkzeug hälften positioniert. Alternativ wird das Material in dem Gerät mittels eines Niederhalterrahmens fixiert, um ein Verrutschen zu vermeiden. Dazu steht das zu verarbeitende Material z.B. einige Zentimeter über den
Werkzeugrand heraus und wird in diesem Bereich mittels des erwähnten Niederhalterrahmens heruntergedrückt.
Bevor in Prozessschritt d) die Presse geschlossen wird, ist es optional möglich, ein Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft durchzuführen. Dies kann besonders bei Composite- Bauteilen mit einer starken Krümmung zu noch besseren Ergebnissen führen. In Prozessschritt d) erfolgt darauf das Schließen der Presse, wobei die Presse ein zweischaliges
Werkzeug aufweist, die beim Schließen einen direkten Kontakt zwischen den beiden
Werkzeugschalen und der aufgelegten Faser-Decklage bewirkt. Ein direkter Kontakt bedeutet in diesem Fall nicht zwangsläufig, dass dies flächendeckend erfolgen muss. Vielmehr kann der Abstand zwischen dem Schaumkern und der Oberfläche der Werkzeugschale etwas größer sein als die Diecke des dazwischen liegenden Fasermaterials. Diese Differenz beträgt jedoch bevorzugt maximal 5 cm, besonders bevorzugt maximal 2 cm und insbesondere bevorzugt ist der Abstand ungefähr gleich der Dicke des Fasermaterials. Weiterhin weist das zweischalige Werkzeug eine Form auf, die während des Pressens formgebend auf das Composite-Bauteil wirkt.
Zusätzlich können zur Verbesserung der Haftung zwischen Schaumkernmaterial und
Deckschichten Haftvermittler verwendet werden. Diese Haftvermittler können im Harz, das das Matrixmaterial der Dekschichten bildet, enthalten sein. Alternativ können die Haftvermittler auch vor dem Zusammenführen auf der Oberfläche des Fasermaterials oder des Schaumkerns aufgetragen werden. Bei diesem Vorgehen können alternativ auch geeignete Klebstoffe eingesetzt werden. Als Haftvermittler haben sich insbesondere Polyamide oder Poly(meth)acrylate als geeignet erwiesen. Es können aber auch niedermolekulare Verbindungen, die aus der Herstellung von Compositematerialien, insbesondere in Abhängigkeit vom verwendeten Matrixmaterial der Deckschicht, dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
In Prozessschritt e) erfolgt die Injektion des Harzes. Die Injektion kann dabei in einer bevorzugten Ausführungsform an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen. Auf diese Weise ist eine besonders schnelle und vollständige Durchdringung des Fasermaterials mit dem Harz möglich. Alternativ kann die Injektion auch an der höchsten Stelle des Innenraums des Werkzeugs erfolgen. Bevorzugt wird das Werkzeug vorher derart gedreht, dass die vertikale Ausrichtung des Innenraums die längste ist.
Weiterhin weist das Werkzeug zur Abführung der verdrängten Luft weiterhin eine oder mehrere Entlüftungsvorrichtungen auf.
Darüber hinaus kann das Werkzeug während der Injektion auch bewegt, insbesondere geschüttelt oder rotiert werden, um eine gleichmäßigere und schnellere Verteilung des Harzes zu unterstützen. Als Harz können insbesondere Vinylesterharze, Epoxidharze, Isocyanatharze oder Acrylatharze verwendet werden. Bevorzugt sind insbesondere Epoxydharze und Vinylesterharze. Die genaue Auswahl des Harzes ist für den Fachmann aus dem Bereich der Composite-Herstellung allgemein einfach zu treffen. Der einzige limitierende Faktor ist, dass das Harz förderbar und mittels Injektion applizierbar sein muss. Dadurch sind flüssige Harze mit einer zu der vorliegenden
Injektionsvorrichtung passenden Viskosität auszuwählen.
Alternativ zu den vernetzenden Harzen können auch thermoplastische Kunststoffe injiziert werden. Ein solches Material weist gegenüber den aushärtenden Systemen den Nachteil einer deutlich verringerten Festigkeit auf. Dafür besteht jedoch der große Vorteil, eines besseren Recyclings, bei dem die Deckschichten, z.B. thermisch, einfach wieder von dem Schaumkern entfernt werden können. Auf diese Weise ließen sich im Idealfall der Schaumkern, dessen obersten Schickten u.U. entfernt werden müssten, und das Fasermaterial wiedergewinnen. Bei solchen Kunststoffen wiederum kann es sich insbesondere um PP, Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), einen Polyester oder um ein Polyamid handeln.
In Prozessschritt f) erfolgt als nach dem Schließen der Presse und der dabei erfolgenden
Formgebung, sowie der Injektion des Harzes in Verfahrensschritt e), ein Aufheizen der
Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes. Durch den direkten Kontakt zwischen den Werkzeugschalen und dem Deckmaterial kann dabei eine sehr schnelle Aushärtung des Harzes erfolgen. Die zur Härtung des Harzes verwendete Temperatur im hängt von dem jeweilig verwendeten Harz ab und ist für den Fachmann leicht ermittelbar. In der Regel liegen solche
Temperaturen zwischen 100 und 300 °C. Damit sind insbesondere auch die für die Schäumung des Schaumkerns bevorzugten Temperaturen zwischen 170 und 250 °C für die meisten Harzsysteme geeignet. Für den weniger bevorzugten Fall einer benötigten höheren Temperatur, kann die Härtung des Harzes in einer weiteren Heizstation erfolgen.
In Prozessschritt g) findet darauf ein Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine
Entformungstemperatur statt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die
Werkzeugschalen im Inneren oder auf der dem Werkstück abgewandten Seite mit Rohren für eine Kühlflüssigkeit, z.B. für Wasser ausgestattet sind. Die Entformungstemperatur ist dabei materialabhängig und für den Fachmann leicht zu ermitteln. Sie hängt zum einen von der Plastizität des Schaumkerns und primär von den Oberflächeneigenschaften des Deckmaterials ab. Dieses sollte bei der Entformungstemperatur fest sein und eine möglichst geringe Klebrigkeit gegenüber der Oberfläche der Werkzeugsschalen aufweisen. Eine geeignete Entformungstemperatur kann beispielsweise schon unterhalb von 80 °C liegen. Durch ein Auftragen von einem
Entformungshilfsmittel zwischen Deckschichten und Werkzeugschalen kann diese Temperatur zur Verbesserung der Taktzeiten zusätzlich erhöht werden. Als Entformungshilfsmittel können beispielsweise Silikonöle oder aliphatische Öle zum Einssatz kommen. In Prozessschritt h) erfolgt schließlich das Öffnen der Presse, das Herausfahren des
Verfahrrahmens und die Entnahme des fertigen Produktes. Alternativ kann auch erst das
Composite-Material entnommen werden und dann der Verfahrahmen zurückgefahren werden, um neu belegt zu werden.
Das entnommene Werkstück kann einer weiteren Nachbehandlung unterzogen werden. So können zunächst beispielsweise die Inektionszapfen des Harzes abgeschnitten, abgesägt oder abgefräst werden. Auch ist eine Oberflächenbehandlung des Halbzeugs, wie zum Beispiel ein Schleifen, Polieren oder Lackieren möglich. Darüber hinaus kann das Produkt nach der Entnahme auch durch Schneiden oder Sägen in mehrere Halbzeuge zerteilt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den großen Vorteil, dass es mit sehr geringen Taktzeiten durchgeführt werden kann und damit sehr gut in einer Serienproduktion eingesetzt werden kann. Bevorzugt wird das Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min, bevorzugt von unter 6 min durchgeführt.
Für das gesamte erfindungsgemäße Verfahren richten sich die zu wählenden Verfahrensparameter nach der Auslegung der im Einzelfall eingesetzten Anlage, sowie den eingesetzten Materialien. Sie können durch wenige Vorversuche für den Fachmann leicht ermittelt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mittels eines Twin-sheet-Verfahrens unter Vakuum bzw. unter Unterdruck durchgeführt werden. Die Twin-sheet- Vorrichtung ist dabei derart gestaltet, dass diese als Pressformmaschine eingesetzt werden kann. Das Twin-sheet-Verfahren zeichnet sich grundsätzlich dadurch aus, dass zwei oder mehr
Werkstücke in einem Verfahrensschritt im Vakuum bzw. unter Unterdruck verformt und dabei ohne Zusätze wie Klebstoffe, Schweißhilfsstoffe oder Lösungsmittel miteinander verschweißt werden. Dieser Verfahrensschritt ist in kurzen Taktzeiten, wirtschaftlich und umweltfreundlich
durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass dieses Verfahren durch den zusätzlichen Prozessschritt des Vorwärmens der Werkstücke durch Bestrahlung mit NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι in Prozessschritt b) auch zur Verarbeitung von den oben genannten Hartschaumwerkstoffen, die nach Stand der Technik dazu ungeeignet schienen, verarbeitet werden kann. Durch das relativ schnell durchführbare Aufheizen mit der genannten Strahlung wird eine spannungsfreie, gleichmäßige Wärmeverteilung im gesamten Werkstück erzielt. Dabei kann die Intensität der Strahlung je nach verwendetem Schaumwerkstoff im genannten Bereich variiert werden. Bei zusätzlichem Einsatz von Deckmaterialien werden die Temperatur der Heizfelder und deren Intensität dermaßen modifiziert, dass auch bei unterschiedlichen Verarbeitungs- und Formungstemperaturen
Schaumkern und Deckmaterialien gemeinsam umgeformt und verbunden werden. Solche
Anpassungen sind für den Fachmann mit wenigen Versuchen leicht durchführbar.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es umweltschonend und in sehr kurzen Taktzeiten durchgeführt werden kann unter gleichzeitiger Zusammenfassung mehrerer Arbeitsschritte in einem Prozess.
Ein bevorzugtes Material für den Schaumkern stellt dabei P(M)I, insbesondere PMI dar. Solche P(M)I-Schäume werden auch als Hartschäume bezeichnet und zeichnen sich durch eine besondere Festigkeit aus. Die P(M)I-Schäume werden normalerweise in einem zweistufigen Verfahren hergestellt: a) Herstellung eines Gusspolymerisats und b) Aufschäumen dieses
Gusspolymerisats.
Zur Herstellung des Gusspolymerisats werden zunächst Monomergemische, welche
(Meth)acrylsäure und (Meth)acrylnitril, vorzugsweise in einem Molverhältnis zwischen 2:3 und 3:2, als Hauptbestandteile enthalten, hergestellt. Zusätzlich können weitere Comonomere verwendet werden, wie z.B. Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, Styrol, Maleinsäure oder Itaconsäure bzw. deren Anhydride oder Vinylpyrrolidon. Dabei sollte der Anteil der Comonomeren jedoch nicht mehr als 30 Gew% betragen. Geringe Mengen von vernetzenden Monomeren, wie z.B. Allylacrylat, können auch verwendet werden. Die Mengen sollten jedoch vorzugsweise höchstens 0,05 Gew% bis 2,0 Gew% betragen.
Das Gemisch für die Copolymerisation enthält ferner Treibmittel, die sich bei Temperaturen von etwa 150 bis 250 °C entweder zersetzen oder verdampfen und dabei eine Gasphase bilden. Die Polymerisation erfolgt unterhalb dieser Temperatur, so dass das Gusspolymerisat ein latentes Treibmittel enthält. Die Polymerisation findet zweckmäßig in Blockform zwischen zwei Glasplatten statt.
In einem zweiten Schritt erfolgt dann bei entsprechender Temperatur das Aufschäumen des Gusspolymerisats. Die Herstellung solcher PMI-Schäume ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und kann beispielsweise in EP 1 444 293, EP 1 678 244 oder WO 201 1/138060 nachgelesen werden. Als PMI-Schäume seien insbesondere ROHACELL®-Typen der Firma Evonik Industries AG genannt. Bezüglich Herstellung und Verarbeitung sind zu den PMI-Schäumen Acrylimid-Schäume als Analoga anzusehen. Aus toxikologischen Gründen sind diese jedoch gegenüber anderen Schaummaterialien deutlich weniger bevorzugt. Die benötigten Schaumteile können durch eine geeignete Wahl der Glasplatten oder durch eine Herstellung mittels eines In-mold-Foamings hergestellt werden. Alternativ erfolgt die Herstellung aus aufgeschäumten Schaumplatten durch Herausschneiden, Sägen oder Fräsen. Dabei können bevorzugt mehrere Schaumteile aus einer Platte geschnitten werden.
Die Dichte des Hartschaummaterials ist relativ frei wählbar. PMI Schäume können beispielsweise in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 eingesetzt werden.
Gesägte, geschnittene oder gefräste Schaumkernstücke haben dabei den Vorteil gegenüber mittels In-mold-Foaming hergestellten, dass diese an der Oberfläche offene Poren aufweisen. Beim Inkontaktbringen mit dem Harz dringt ein Teil des Harzes in diese offenen Poren an der Schaumkernoberfläche ein. Dies hat den Vorteil, dass nach Aushärtung eine besonders starke Haftung an der Grenzfläche zwischen Schaumkern und Mantelmaterial erhalten wird.
Neben dem beschriebenen Verfahren sind auch die mittels des Verfahrens herstellbaren
Composite-Materialien Teil der vorliegenden Erfindung. Diese Composite-Materialien weisen einen Hartschaumkern aus aufgeschäumten PP, P(M)I oder hochvernetzten PU und zwei Deckschichten aus mindestens einem ausgehärteten Harz und einem Fasermaterial auf. Gegenüber dem Stand der Technik unterscheiden sich diese Composite-Materrialien dadurch, dass die Deckschichten aus einem Fasern enthaltenen ausgehärteten Harz bestehen und keine Verbindungselemente wie Nähte, Bolzen oder andere Krafteinleitungselemente aufweisen. Zusätzlich können sich die erfindungsgemäßen Composite-Materialien dadurch unterscheiden, dass sie keine Klebschicht zwischen Schaumkern und Deckmaterialien aufweisen müssen.
Grundsätzlich sind die erfindungsgemäßen Werkstücke aus einem Hartschaumstoff als
Kernmaterial sehr breit einsetzbar.
Erfindungsgemäß hergestellte Composite-Materialien können insbesondere Anwendung in der Serienfertigung z.B. für Karosseriebau oder für Innenverkleidungen in der Automobilindustrie, Interiorteile im Schienenfahrzeugs- oder Schiffsbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im
Maschinenbau, beim Möbelbau oder bei der Konstruktion von Windkraftanlagen finden. Beschriftung der Zeichnung
Fig. 1 : Schematische Darstellung der Fertigung von erfindungsgemäßen Composite-Bauteilen A: Aufheizphase; B: Formgebung
(1 ) IR-Heizungen
(2) Schalenwerkzeuge der Presse
(3) Schaumkern
(4) Fasermaterial
(5) Harzinjektion
(6) Composite-Material aus Schaumkern und zwei ausgehärteten Deckschichten
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden für einige besondere Ausführungsformen der Erfindung allgemeine
Beschreibungen aufgezeigt. Dabei enthalten diese auch Beispiele. Entsprechende Versuche konnten erfolgreich durchgeführt werden.
Beispiel: Fertigung von faserverstärkten Kunststoffen mit Schaumstoff kern (Compositebauteile)
Das Verfahren wird auf einer Twin-sheet Umformmaschine wie zum Beispiel Modell T8 von der Fa. Geiss AG, durchgeführt. Die Maschine war dabei in folgender Konfiguration ausgerüstet:
Heizfelder mit Flash-Strahlern (NIR; 0,78-1 ,40 μητι) Verstellbares Arbeitsraumfenster
Höhenverstellbare Oberheizung
Presskraft 30 to (min.), motorische Antriebe
Heiz- und kühlbares Umformwerkzeug
Zur Veranschaulichung dieser Ausführungsform sei auf Fig.1 verwiesen. Es wird ein PMI-Schaum des Typs ROHACELL® WF-HT in der Dichte 1 10 Kg/m3 und der Dicke 20 mm verwendet. Als Harz wurde Epikote Resin MGS RIMH 135 verwendet. Diesem wurde zuvor zur Härtung Epikote® Curing Agent MGS® RIMH 136 zugegeben.
Im Allgemeinen richten sich die zu wählenden Verfahrensparameter nach der Auslegung der im Einzelfall eingesetzten Anlage. Sie müssen durch Vorversuche ermittelt werden. So richtet sich die Führungstemperatur TF nach dem Tg(S) der PMI-Schaummatrix, nach der Umformtemperatur der Deckschichten, nach der Höheneinstellung der Oberheizung Tg(S) < TF (Temperatur der
Oberheizung). Dabei gilt, dass die Temperatur der Oberheizung höher einzustellen ist, umso größer der Abstand zur Schaummatrix ist. Je nach Umformgrad (Ug) der partiellen Bauteilbereiche kann auch die Strahlerfeldintensität (I) variiert werden. In Randnähe zum Niederhalter wird die Strahlerfeldintensität I nahe 100% gewählt, um ein Nachfließen des Materials zu gewährleisten und gleichzeitig die Einspannung des Materials zu erhalten.
Auflage des Fasermaterials: Es können z.B. drapierfähige Gewebe / Gelege aus
unterschiedlichsten Faserarten oder Fasermischungen eingesetzt werden. Dies kann optional unter Einsatz eines Schmelzkleberfilmes oder -vlieses als Haftvermittler erfolgen. In konkretem Beispiel wurden oben und unten eine 500 μιτι dicke Schicht aus einem Carbonfaser-Flies verwendet.
Der umzuformende Schaumkern wird in der Heizstation mittels IR-Strahlung auf eine
Innentemperatur von 220 °C aufgeheizt und anschließend in das Presswerkzeug gefahren.
Anschließend wird das Presswerkzeug geschlossen. Nach dem Schließen des Werkzeugs wurde oben und unten jeweils flüssige Epoxidharze in dieses injiziert. Nach der Injektion des Harzes wurde der Werkzeuginnenraum auf eine Temperatur von 180 °C erhitzt.
Nach ca. 3 bis 4 min wird das Werkzeug auf unter 80 °C abgekühlt und das Bauteil entnommen. Nach einem Wiederaufheizen des Werkzeuges kann mit der Fertigung des nächsten Composite- Bauteiles begonnen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff des Schaumkerns um hochvernetztes PU, um PP oder um P(M)I handelt, und dass das Verfahren folgende Prozessschritte aufweist: a) Belegen des Schaumkerns mit einem Fasermaterial, b) Aufheizen des Schaumkerns und des Fasermaterials in einer Heizstation mit naher Infrarot-Strahlung (NIR-Strahlung), c) Überführen des aufgeheizten, mit Fasermaterial belegten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen, d) Schließen der Presse, e) Injektion eines Harzes in das Fasermaterial, f) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des Harzes, g) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und h) Öffnen der Presse und Entnahme des Composite-Materials.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die NIR-Strahlung eine
Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι aufweist.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 handelt.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass direkt vor oder direkt nach Prozessschritt c) ein Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft erfolgt.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form eines Gewebes, Gestrickes, Gelege oder als undirektionale Schicht vorliegen.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Harz um ein Vinylesterharz, ein Epoxidharz, ein Isocyanatharz oder ein Acrylatharz handelt. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern um Kohle-, Glas-, Polymer-, Textil- oder Aramidfasern handelt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min durchgeführt wird.
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