WO2021069724A1 - Kunststofffaserverbundbauteile - Google Patents

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WO2021069724A1
WO2021069724A1 PCT/EP2020/078510 EP2020078510W WO2021069724A1 WO 2021069724 A1 WO2021069724 A1 WO 2021069724A1 EP 2020078510 W EP2020078510 W EP 2020078510W WO 2021069724 A1 WO2021069724 A1 WO 2021069724A1
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fiber
reinforcing element
plastic
resin
composite component
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PCT/EP2020/078510
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Almut SCHWENKE
Tanja Damjanovic
Verena Wagner
Oswin Oettinger
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Sgl Carbon Se
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a plastic fiber composite component, a plastic fiber composite component obtainable by the method according to the invention, and its use.
  • Plastic fiber composite materials combine the properties of fibers and a plastic matrix. This creates a material with high strength and rigidity with low weight, high fracture toughness and low thermal expansion.
  • the production is very complex and, in particular, the production of complex components is very time-consuming, material-intensive and thus cost-intensive.
  • plastic fiber composite components have to withstand very high forces and there are correspondingly high mechanical requirements, e.g. with regard to stability, rigidity and fracture toughness.
  • many components have, as intended, complex geometries and they should be very light.
  • Such a requirement profile exists e.g. for fan wheels and pump impellers, for nozzles, for parts of large design elements such as backdrops, especially film backdrops and for molding tools such as those used for lamination, pressing or deep drawing in the production or reshaping of plastic-containing materials.
  • plastic fiber composite components do not meet this requirement profile, or not to a sufficient extent, particularly with regard to cost efficiency, so that there is a great need for improvement.
  • the object of the present invention is therefore to provide a plastic fiber composite component that withstands great forces where they act on the plastic fiber composite component, which can be produced with little effort in complex geometry and which can also be designed with low density.
  • a method for producing a plastic fiber composite component comprising the following steps: a) providing a carbon-based and / or ceramic body which has been produced by means of additive manufacturing, b) connecting the body to a fiber-containing reinforcing element using a bonding agent.
  • the body provided in step a) represents a carbon-based body and / or a ceramic body.
  • any ceramic that can be converted into a body by means of additive manufacturing starting from a powder (and binder) can be used for the ceramic body.
  • Ceramic here preferably stands for silicon carbide.
  • the body is not subject to any particular restrictions. He could contain sand or aluminum oxide, S1O2 or the like as ceramic and / or be manufactured additively using these materials.
  • the body provided in a) can preferably be a carbon-based and / or silicon carbide-based body which has been produced by means of additive manufacturing.
  • a carbon-based body plastic fiber composite components according to the invention can be manufactured inexpensively with a particularly low weight. They also have low thermal expansion, good thermal conductivity, high corrosion stability and good chemical resistance.
  • the silicon carbide-based body ensures special hardness and abrasion resistance as well as high corrosion stability with only a slightly higher weight.
  • the indication that the body is carbon-based and / or ceramic, eg silicon carbide-based, means that the body is at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight and very particularly preferably at least 90% by weight carbon and / or ceramic, for example silicon carbide.
  • the mass fractions given here relate to the body as it is obtained from additive manufacturing, i.e. before the reinforcement element is attached and before the body is infiltrated with further substance.
  • the structure resulting from additive manufacturing therefore consists of carbon and / or ceramics at least in the proportions given here in percent by weight.
  • the mass fractions relate to the ratio of the sum of the mass fractions of carbon and ceramic, e.g. silicon carbide, in relation to the total mass of the structure. Since, in connection with the present invention, carbon means amorphous carbon and graphite, both amorphous carbon and graphite are included in the proportion of carbon, that is to say any carbon regardless of its degree of crystallinity.
  • carbon particles comprising amorphous carbon and graphite and all mixed forms of these can be used for the carbon-based body.
  • the body provided in a) can have been produced from a mixture of coke and silicon carbide by means of additive manufacturing.
  • the type of coke used is not particularly limited; inter alia, cokes such as coal tar pitch coke, petroleum coke, acetylene coke, flexi coke, fluid coke or shot coke, preferably flexi coke, can be used.
  • cokes such as coal tar pitch coke, petroleum coke, acetylene coke, flexi coke, fluid coke or shot coke, preferably flexi coke.
  • the body provided in step a) can be obtained or manufactured by means of additive manufacturing.
  • Certain embodiments of the method according to the invention include an additive manufacturing of the body which takes place before step a).
  • the additive manufacturing of the body can therefore optionally be included in the method according to the invention.
  • the indication “by means of” additive manufacturing expresses that additive manufacturing does not have to be the last processing step of the body before step a). After its additive manufacturing, the body may have been further processed before it is provided in step a).
  • Impregnation can thus follow additive manufacturing in order to obtain an impregnated body, the impregnated body being provided in step a). Impregnation can be done with a liquid synthetic resin. The liquid synthetic resin can be cured to form a synthetic resin matrix and the body comprising the synthetic resin matrix can be provided in step a). Possibilities for impregnating the body with synthetic resin and subsequent curing to form a synthetic resin matrix are known from WO 2017/089500 A2.
  • the body provided in step a) can, for example, be purchased or manufactured using additive manufacturing technologies that are known to the person skilled in the art from the relevant specialist literature. It can also be produced as described in WO 2017/089499 A1 or WO 2017/089500 A2. A wealth of different, very suitable additively manufactured bodies can be purchased from SGL Carbon.
  • the body provided in step a) preferably consists of particles with an average size (d50) in the range of 10-500 ⁇ m.
  • the resulting high porosity of the body favors the infiltration of the body.
  • the laser granulometric method (ISO 13320) can be used to determine the d50 value, using a measuring device from Sympatec GmbH with the associated evaluation software.
  • the particle size can be determined from the micrograph, e.g. with a light microscope.
  • additive manufacturing is understood to mean binder jetting or paste extrusion.
  • the body provided in step a) has been produced by means of binder jetting or is obtainable by means of binder jetting.
  • a powdery starting material is glued to selected places with a binder to create the body.
  • the body is powder-based, highly porous and largely isotropic.
  • an integral connection of the joining agent to the body can then be created, which leads to a particularly firm connection between the reinforcement element and the body.
  • the binder used in binder jetting is referred to herein as a jetting binder.
  • Organic or inorganic jetting binders can be used, in which case, for example, waterglass can be used well as the inorganic jetting binder and, for example, phenolic resin or furan resin as the organic jetting binder.
  • binder jetting a body with a solids content of greater than 80% by weight, preferably greater than 90% by weight, is obtained.
  • paste extrusion an extrusion paste is deposited in a defined manner in a predetermined pattern in order to create the body.
  • the extrusion paste can be deposited in layers from an extruded strand.
  • the extrusion paste preferably contains carbon particles and / or ceramic particles, for example silicon carbide particles.
  • the extrusion paste also contains binders.
  • the binder contained in the extrusion paste is not subject to any particular restrictions.
  • the extrusion paste preferably contains, for example, phenolic resin, furan resin, benzoxazine resin, pitch, cellulose, starch, sugar, polyvinyl alcohol (PVA), thermoplastics such as polyacrylic ether ketones and in particular polyether ether ketone (PEEK) and / or polyimide.
  • the fibrous reinforcing member is not particularly limited.
  • any fiber and any fiber-containing material and any fiber-containing mass which can be further processed with the body according to method step b) to form a plastic fiber composite component according to the invention can be considered as a fiber-containing reinforcing element.
  • fiber preferably means carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, basalt fiber, natural fiber (eg hemp fiber, flax fiber, sisal fiber) and / or silicon carbide fiber, particularly preferably carbon fiber and / or glass fiber.
  • Carbon fiber is particularly preferred when there are high strength and rigidity requirements.
  • Glass fiber is particularly preferred when it has to be manufactured very cost-effectively.
  • Silicon carbide fiber is preferred when it comes to good oxidation stability and wear resistance. Accordingly, "containing fibers”, preferably “containing carbon fibers”, “containing glass fibers”, “containing aramid fibers”, “containing basalt fibers”, "containing natural fibers” (eg containing hemp fibers, flax fibers, sisal fibers) and / or "containing silicon carbide fibers”.
  • connection can comprise successive sub-steps, for example attaching the reinforcing element to the body, pressing the reinforcing element onto the body and curing.
  • these partial steps can take place separately in time or also more or less simultaneously.
  • the partial steps take place almost at the same time, for example when a reinforcing element is pressed on with a hot stamp, so that at the same time a thermally induced hardening of the bonding agent takes place.
  • a binding agent already contained in certain reinforcing elements and / or an additional binding agent to be added can preferably serve as the joining binding agent.
  • At least part of the joining agent can be a binding agent contained in the reinforcing element and / or in the body.
  • at least part of the joining agent can be applied to at least one surface of the reinforcing element and / or the body before the joining.
  • At least part of the joining agent can be contained in the reinforcing element and / or in the body before a first contact is made between the body and the reinforcing element.
  • the at least part of the joining agent is then in the reinforcing element (e.g.
  • the body Prepreg) before a first contact is made between the body and the reinforcement element.
  • Contact here means physical contact.
  • the body can be e.g. porous or completely or partially infiltrated with completely or partially hardened or not yet hardened synthetic resin matrix.
  • the fiber-containing reinforcing element provided in step b) can be malleable. This is usually the case when the fiber-containing reinforcing element contains a binder that has not yet hardened or does not contain any binder.
  • the Fibers can be wetted with the binder or taken up in the binder.
  • mouldable reinforcement elements are a resin and fiber-containing mass, which is also referred to herein as "resin-fiber mass", an at least partially resin-impregnated textile fabric (such fabrics are commercially available as "prepregs", e.g. from SGL Carbon), a resin-impregnated fiber strand, for example a so-called towpreg, commercially available from SGL Carbon.
  • the moldable reinforcement element does not have to contain a binder.
  • the formable reinforcing element can be a fiber, such as, for example, in braided tubes in which the body is braided with fibers. According to the invention, fibers can be wrapped or braided around the body and then impregnation with bonding agent can take place.
  • moldable reinforcing elements can be attached to the body, for example, by pressing using a press mold (attachment method 1), spraying on using fiber injection (attachment method 2), pressing on using a vacuum bag method (attachment method 3) and / or autoclave method (attachment method 4), or wrapping and / or braiding of the body with the fibrous reinforcing element (attachment method 5).
  • Attachment method 1 a press mold
  • Attachment method 2 spraying on using fiber injection
  • vacuum bag method attachment method 3
  • autoclave method attachment method 4
  • wrapping and / or braiding of the body with the fibrous reinforcing element attachment method 5
  • Vacuum bag processes and autoclave processes are described in Drechsler, K., Heine, M., Mitschang, P., Baur,
  • attachment methods 1 to 5 are suitable for the above-listed formable reinforcement elements for attachment to the body.
  • attachment to the body is generally accompanied by a change in the shape of the reinforcing element.
  • the reinforcement element can be flexibly adapted to a contour of the body when it is attached to the body.
  • the (e.g. resin-containing) reinforcement element can thus be placed on the body and pressed onto the body. This can be done by hand and is known as hand lamination. It can be automated through tape laying or fiber patching, whereby e.g. a prepreg is deposited on the body by a programmable machine. The pressing, e.g. pressing on, can also be done by machine.
  • the bonding agent can reach an area by liquid resin infusion (LRI) in which the body is in contact with the reinforcing element.
  • LRI liquid resin infusion
  • a tissue can be placed on the body and the bonding agent applied to the tissue in such a way that the bonding agent seeps into the area in which the tissue is in contact with the body.
  • LRI liquid resin infusion
  • RFI resin film infusion
  • SCRIMP seeman composite resin infusion molding process
  • VAP vacuum-assisted processing
  • DP-RTM differential pressure resin transfer molding
  • Malleable reinforcement elements allow the geometry of the body to be optimized without regard to the shape of a rigid reinforcement element. It is then not necessary to provide a body with a surface which is specifically adapted to the surface of a given rigid reinforcing element. Since the binding agent, for example resin, moldable reinforcing elements, has not yet hardened at the moment it is attached to the body, it can also serve as a bonding agent. The use of less binder helps to maintain dimensional accuracy.
  • the fiber-containing reinforcing element provided in step b) can be rigid.
  • the fiber-containing reinforcing element is rigid, for example, when the fiber-containing reinforcing element contains cured binder. Concrete examples of rigid fibrous reinforcing elements are
  • - fiber reinforced plastic elements e.g. carbon fiber or glass fiber reinforced plastic elements
  • o fiber reinforced plastic sheets e.g. carbon fiber reinforced or glass fiber reinforced plastic sheets (CFRP or GFRP sheets)
  • fiber reinforced plastic rings e.g. carbon fiber reinforced or glass fiber reinforced plastic rings (CFRP or GFRP rings)
  • o fiber reinforced plastic rods e.g. carbon fiber reinforced plastic rods or glass fiber reinforced plastic rods (CFRP or GFRP rods).
  • connection of the body to these rigid reinforcing elements can be done in particular by pressing the reinforcing element onto a surface of the body (especially if the rigid reinforcing element is a plate), folding the body (especially if the rigid reinforcing element is a ring) or inserting it into a recess of the Body (especially if the rigid reinforcing element is a rod, grid or ring).
  • the binding agent of a rigid reinforcement element is generally hardened and can no longer serve as a joining agent, further joining agent can be added to attach the body.
  • At least part of the joining agent can therefore be applied to at least one surface of the reinforcing element and / or of the body prior to joining.
  • Any means with which a sufficiently firm connection of the body and the reinforcing element is achieved for the respective use of the plastic fiber composite component is suitable as a bonding agent.
  • the bonding agent is preferably a thermoset.
  • the thermosetting resin may include, for example, a bismaleimide resin, a benzoxazine resin, a furan resin, an isocyanate resin, a phenolic resin, an epoxy resin, a polyurethane resin, a (meth) acrylate resin, a polyester resin, a polyurethane resin, a silicone resin, a phenylsulfite resin, or a cyanate ester resin.
  • (Meth) acrylate stands for acrylate and / or methacrylate.
  • the method according to the invention then preferably also includes curing of the thermoset.
  • Bismaleimide resins, benzoxazine resins, furan resins, isocyanate resins and phenolic resins are characterized by their particularly high chemical stability and temperature stability, while epoxy resins, polyurethane resins and acrylate resins have a particularly high mechanical stability and are particularly easy to process (infiltrate) because they are very thin (i.e. with particularly low viscosity) can be provided.
  • the thermoset can comprise a polyaddition resin such as an epoxy resin.
  • plastic fiber composite components e.g. molding tools
  • No channels are formed during curing due to the escape of by-products, such as water, which arise and escape during polycondensation.
  • particularly dense composite components are obtained.
  • the molding tool according to the invention can be used particularly well in the vacuum bag process, for example.
  • a plastic fiber composite component obtainable by a method according to the invention, for example by a plastic fiber composite component having a body and a fiber-containing reinforcing element, the body and the reinforcing element are connected by bonding agents, e.g.
  • thermosetting plastic manufactured or obtainable by a method according to the invention or by a plastic fiber composite component having a body that is free of fibers or does not include fibers with a length of more than 0.5 mm and a fiber-containing reinforcing element , which comprises fibers with an average length of more than 1 mm, in particular more than 20 mm, for example more than 50 mm, wherein the body and the reinforcing element are connected by bonding agents, such as thermoset, produced or obtainable by a method according to the invention.
  • the body can have a matrix, such as a resin matrix.
  • a matrix such as a resin matrix.
  • Synthetic resin matrices are known from WO 2017/089500 A2. This has the advantage of greater stability of the body, which, however, is associated with a higher mass of the body. The person skilled in the art will accordingly weigh up whether a synthetic resin matrix is useful or not, depending on the planned use.
  • the synthetic resin matrix of the body and the bonding agent are identical, so that a matrix extends into the reinforcement element in a cohesive manner. This ensures a particularly firm connection between the body and the reinforcement element.
  • the ratio of the volume of the reinforcing element or the reinforcing elements to the total volume of the component can vary within wide ranges. For certain components / for certain uses, very small reinforcement elements can be sufficient. On the other hand, very large reinforcing elements may be required for other components / for certain uses.
  • the volume ratio of reinforcing element (s) to the total volume of the component according to the invention is 0.01 to 0.5, preferably 0.05 to 0.25, particularly preferably 0.1 to 0.2.
  • the fiber volume fraction in the fiber-containing reinforcing element is preferably at least 20% by volume, in particular at least 40% by volume. This can be determine optically in the micrograph. For this purpose, one cuts through a component according to the invention including the reinforcement element, grinds the cut surfaces obtained when cutting through and determines visually (e.g. with a microscope) the proportion of the reinforcement element cut surfaces occupied by the areas of the reinforcement element cut surfaces. If the fibers are not distributed completely homogeneously within the reinforcement element, the component is cut through several times and all reinforcement element cut surfaces are included in the determination of the fiber volume fraction. It has already been described above in connection with the method according to the invention that the fiber composite component can be produced using formable reinforcing elements, such as resin-fiber mass. Such masses in particular often lead to components according to the invention with extensive fiber-free reinforcing element areas based on resin and with a correspondingly low fiber volume fraction.
  • the fiber-containing reinforcing element is preferably a reinforcing element containing carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, basalt fiber, natural fiber (e.g. hemp fiber, flax fiber, sisal fiber) and / or silicon carbide fiber, particularly preferably a carbon fiber and / or glass fiber reinforcement element.
  • the fiber-containing reinforcing element can comprise a fabric, a spiral fabric, a multiaxial fabric, a unidirectional fabric, short cut fibers, continuous fibers, a fleece, a felt, a paper, a braid, a knitted fabric, a knitted fabric and / or a fiber lattice. Knitted fabrics are elastic and therefore easy to drape. Braids and knitted fabrics are preferably hoses and can therefore be used to strengthen the body outside. Reinforcing elements comprising continuous fibers are produced, for example, by wrapping a towpreg around the body.
  • the fiber composite component has a fiber-containing reinforcement element which comprises fibers with an average length of more than 1 mm.
  • the aforementioned fiber-containing reinforcing elements such as, for example, scrims, fleeces, felts, papers, braids, knitted fabrics, knitted fabrics or fiber grids regularly contain fibers with a length of far more than 1 mm.
  • the fiber composite component can have a fiber-containing reinforcing element which comprises fibers with an average length of more than 1 mm, for example with an average length of more than 20 mm, in particular with an average length of more than 50 mm.
  • a fiber-containing reinforcing element which comprises fibers with an average length of more than 1 mm, for example with an average length of more than 20 mm, in particular with an average length of more than 50 mm.
  • the body can be positively connected to the reinforcing element. This causes an additional increase in the stability of the connection between the parts of the plastic fiber composite component, that is, between the reinforcement element and the body.
  • At least one of the parts e.g. the body
  • the body provided in step a) can therefore have an undercut.
  • a formable reinforcement element can be brought into a form fit with the undercut when it is attached, e.g. by pressing, and then cured with a form fit.
  • the body can have a recess in which the (entire) fiber-containing reinforcing element is received. This prevents tilting, slipping and delamination.
  • the reinforcement element then also influences the external geometry of the body not. The surface is not affected, which can be of great advantage in the case of a fan wheel or pump impeller, for example.
  • the body can be provided in a wide variety of geometries, so that every imaginable plastic fiber composite component geometry is possible.
  • Recesses for fiber-containing reinforcing elements and / or undercuts can be provided at any point.
  • particularly high mechanical loads always arise at very specific points where the fiber-containing reinforcing elements can be arranged in a targeted manner. In this way, a component is obtained that can cope with the expected loads in every component area and at the same time can be manufactured particularly cheaply.
  • the reinforcement element can be arranged on the body where it has a receptacle for a fastening element (e.g. screw). It can thus be prevented that the forces acting on the fastening element lead to parts of the body breaking out in the region of the receptacle.
  • Preferred plastic fiber composite components according to the invention show a particularly pronounced pseudo-ductile fracture behavior, which results in a pronounced damage tolerance and fracture toughness of the components. This means that in the 3-point bending test, a stress-strain curve can be determined which, after a first increase due to the linear-elastic deformation of the component, does not suddenly drop to 0 at the first damage. The first time the component is damaged, there is no sudden failure. In addition, there is greater strength and rigidity compared to an unreinforced component.
  • the 3-point bending test can, for example, be carried out based on DIN EN ISO 14125 with a support radius: 3 mm, punch radius: 3 mm, support width 80 mm, with a test speed of 5 mm / min.
  • the invention also relates to a molding tool, in particular a lamination, compression or deep-drawing mold, having a plastic fiber composite component according to the invention.
  • This molding tool is preferably large in area.
  • the contact surface of the molding tool at which the molding tool comes into contact with the workpiece to be molded is preferably at least 0.05 m 2 , in particular at least 0.2 m 2 , for example at least 0.5 m 2
  • the reinforcement element can be arranged on a surface of the body in such a way that a workpiece to be produced with the molding tool does not come into direct contact with the body on the contact surface of the molding tool. On the one hand, this ensures increased stability and, in addition, a high degree of tightness of the molding tool.
  • the method according to the invention enables a near net shape production of molding tools. Mechanical reworking of the contact surface may be necessary in order to achieve particularly tight tolerances. This must be done in such a way that the gas tightness of the mold is still guaranteed.
  • a non-stick coating can be applied to the contact surface of the fiber-containing reinforcing element.
  • Common non-stick coating agents are known to the person skilled in the art.
  • the non-stick coating can comprise, for example, silicones, long-chain alkanes, silanes or fluorinated polymers.
  • the non-stick coating can be applied better to the reinforcement element, since it would infiltrate into the (non-impregnated) body and a corresponding non-stick effect could not be brought about on its surface.
  • the surface of the reinforcement element to which the non-stick coating is applied comes into contact with the workpiece to be produced with the molding tool when it is used as intended. This improves the surface quality of the components formed with the molding tool.
  • a film can be inserted between the molding tool and the workpiece to be produced.
  • the temperature cycles passed through during molding require less energy. Shorter cycle times are also possible, since cooling and heating can take place more quickly.
  • the fiber reinforcement ensures a stable / stiff mold with a low mass.
  • the molding tool enables particularly efficient and precise production of workpieces (e.g. lamination, pressing or deep drawing). This applies in particular if the body provided in a) has a low density.
  • the body provided in a) and the body in molds according to the invention cannot be impregnated or not completely impregnated, since a lower thermal expansion is then achieved, which is advantageous for the production of CFRP and GFRP components in the mold.
  • the lower the resin content in the body the lower the thermal expansion.
  • the person skilled in the art selects the resin content as a function of the mechanical load when using the respective molding tool according to the invention.
  • the density of the component according to the invention is preferably at most 2.5 g / cm 3 , in particular at most 2.3 g / cm 3 , for example at most 2.1 g / cm 3 .
  • Reinforcement element and body work together synergistically in molding tools according to the invention: By additive manufacturing, for example binder jetting, a very light body can be produced quickly and inexpensively in complex geometries.
  • the reinforcement element not only covers the porous surface of the body, which is less suitable for molding plastics, but also gives the mold both rigidity and strength and provides an ideal basis for a non-stick coating.
  • the invention thus also relates to the use of the molding tool according to the invention for lamination, pressing or deep drawing in the production or reshaping of a fiber-plastic composite, e.g. a glass fiber-plastic composite or a carbon fiber-plastic composite.
  • a fiber-plastic composite e.g. a glass fiber-plastic composite or a carbon fiber-plastic composite.
  • the invention also relates to the use of the plastic fiber composite component according to the invention as a fan wheel, pump impeller, column internals, nozzle or pipe, or as part of large design elements, e.g. a backdrop, in particular a film set, as a piece of furniture or as part of a piece of furniture.
  • the invention thus also relates to a plastic fiber composite component according to the invention with the geometry of a fan wheel (i.e. a plastic fiber composite fan wheel), with the geometry of a pump impeller (i.e. a plastic fiber composite pump impeller), with the geometry of column internals (that is, plastic fiber composite column internals) with the geometry of a nozzle (i.e. a plastic fiber composite nozzle), with the geometry of a pipe (i.e. a plastic fiber composite pipe), with the geometry of a backdrop (i.e. a plastic fiber composite backdrop) or with the geometry of a piece of furniture (i.e. a plastic fiber composite piece of furniture).
  • a fan wheel i.e. a plastic fiber composite fan wheel
  • a pump impeller i.e. a plastic fiber composite pump impeller
  • column internals that is, plastic fiber composite column internals
  • a nozzle i.e. a plastic fiber composite nozzle
  • a pipe i.e. a plastic fiber composite pipe
  • a backdrop
  • the reinforcing element can be arranged on the fan wheel or pump impeller where the axis of rotation is connected to the fan wheel or pump impeller.
  • the fiber reinforcement can largely prevent the brittle fracture behavior, which can be observed in additively manufactured bodies without fiber reinforcement. This is of great advantage in particular with rotating components. With fast rotations, strong centrifugal forces act, which can lead to breakage of the body. In addition, rotating components run the risk of consequential damage to surrounding components, because completely broken parts can be thrown away. In addition, the imbalance that occurs as a result of the breakage can lead to consequential damage. The invention counteracts all of this efficiently.
  • the reinforcing element can surround the body.
  • the body is exposed to a fluid which can be passed through the nozzle or through the tube and which, for example, may contain particles.
  • the body can be viewed as a wear protection element that counteracts abrasion.
  • the body is then preferably a ceramic, e.g. silicon carbide-based body, since it is particularly hard, so that abrasion of the nozzle or pipe occurs only very slowly, if at all.
  • the surrounding reinforcement element increases the pressure resistance and prevents the nozzle or pipe from bursting even in the event of high overpressure.
  • FIG. 1 A shows a sandwich component with a flat reinforcing element between two flat, 3D printed bodies
  • FIG. 1B shows a sandwich component with a flat, 3D printed body between two flat reinforcing elements
  • FIG. 1C shows a sandwich component with a flat reinforcing element between two flat, 3D printed bodies attached with bonding agents.
  • FIG. 1 D shows a multilayer component in which flat, 3D printed bodies and flat reinforcing elements are alternately arranged one above the other,
  • Figure 1 E shows a sandwich component in which the flat 3D printed body has a continuous recess through which the two flat
  • Reinforcing elements are connected to each other.
  • Figure 2A shows a component in which the body has several recesses
  • Figure 2B shows a section through the component of Figure 2A along the dashed line.
  • Figure 2C shows a component in which the body has recesses connected to form a grid for receiving a grid-shaped reinforcing element
  • FIG. 2D shows a section through the component from FIG. 2C along the dashed line.
  • FIG. 2E shows a section through a multilayer component made up of three layers of components from FIG. 2A or 2B
  • FIG. 2F shows a component in which the body has a large number of cylindrical recesses, each for receiving a reinforcing element
  • FIG. 2G shows a section through the component of FIG. 2F along the dashed line
  • FIG. 3A shows a component with a disk-shaped body which is surrounded by an annular reinforcing element
  • FIG. 3B shows a section through the component of FIG. 3A along the dashed line
  • FIG. 3C shows a component with a disk-shaped body, an annular reinforcing element being received in a circumferential groove.
  • FIG. 3D shows a section through the component of FIG. 3C along the dashed line
  • FIG. 4B shows a section through the component of FIG. 4A along the dashed line with cover.
  • FIGS. 5A, B and C show sections of bodies whose complex-shaped surface is covered with a reinforcing element a groove are added.
  • FIGS. 7A, B show components in which the 3D printed body contains a channel structure, such as can be used for cooling or heating, for example.
  • FIG. 8 shows stress-strain curves from 3-point bending tests.
  • components according to the invention are shown in the form of sandwich structures made up of flat reinforcing elements 2 and flat, 3D printed bodies 1.
  • sandwich structures are produced by pressing with thermoset.
  • the type of reinforcement element 2 to be preferred in each case depends on the geometry of the component (reinforcement element based on web material for rectangular structures or spiral fabric for round structures) and the subsequent load profile (unidirectional, multiaxial scrim, fabric or planar isotropic fleece).
  • an uncured, resin-containing and thus malleable reinforcing element 2 is introduced during manufacture.
  • a malleable reinforcing element for the production of the components of Figures 1 A As a malleable reinforcing element for the production of the components of Figures 1 A,
  • a prepreg can be used.
  • the resin contained in the prepreg acts as a bonding agent and ensures a material connection between the body 1 and the reinforcement element 2.
  • the component of FIG. 1C is produced using additional bonding agent.
  • the bonding agent is applied to the interfaces between the body and the reinforcement element.
  • Such a bonding agent may be necessary in particular in the case of rigid reinforcing elements in order to attach the reinforcing element 2 firmly to the body 1.
  • any sequence of layers is possible in which the reinforcement element 2 is embedded between 3D printed bodies 1 (1 A, 1C) or a 3D printed body 1 is embedded between reinforcement elements 2 (1 B).
  • multilayer structures with different layer sequences are possible (1 D).
  • Such multi-layer structures can be implemented with rigid or malleable reinforcement elements 2, with the additional bonding agent being applied, especially when using rigid reinforcement elements 2, so that a firm attachment of the rigid reinforcement element 2, which is essentially free of uncured binding agent, is made possible on the body.
  • the outermost layers can either go back to 3D printed bodies 1 or be reinforcing elements 2.
  • a continuous recess in the 3D printed body 1 enables the connection of two formable reinforcement elements 2 applied on both sides and thus an additional form-fitting fixation of the reinforcement elements 2 on the 3D printed body 1 (FIG. 1 E).
  • FIGS. 2A to G components according to the invention are shown in which the body (s) 1 have recesses in which reinforcing elements 2 are received.
  • the production can take place either with rigid or malleable reinforcement elements 2.
  • Moldable reinforcement members containing uncured resin 2 eg resin-fiber mass
  • Rigid reinforcing elements 2 are fixed in the recesses by means of additional joining means, the intermediate areas due to joining means not being indicated in FIGS. 2A to G.
  • the component according to the invention is then obtained by hardening the bonding agent (for example thermoset).
  • fiber rods can be inserted by means of joining binders.
  • a lattice-like reinforcing element for example a fiber lattice, can be inserted into the component of FIGS. 2C, D.
  • FIG. 2E shows a section through a multilayer component made up of three layers of components from FIG. 2A or 2C.
  • a bonding agent can also be used to connect the three layers.
  • the recesses are on the inside, that is, surrounded by body 1 all around.
  • a moldable reinforcing element 2 e.g. a resin-fiber mass
  • the recesses can first be filled with bonding agent and then the reinforcing element 2 can be inserted.
  • Recesses with a round cross-section are shown, with recesses and reinforcing elements 2 with any, e.g. rectangular or square, cross-section also being conceivable.
  • FIGS. 3A to D components according to the invention with a disk-shaped body 1 and an annular reinforcing element 2 are shown.
  • the disk-shaped body 1 can be surrounded by the annular reinforcing element 2 (FIGS. 3A, B).
  • the reinforcement element 2 can also be received in a circumferential groove in the body (FIGS. 3C, D).
  • the reinforcing element 2 can be attached as a rigid ring (for example a wound tube made of carbon fiber reinforced plastic) by means of bonding agents disc-shaped body attached ( Figures 3A, B) or introduced into these ( Figures 3C, D).
  • a moldable reinforcing element for example a resin-fiber compound
  • a resin-fiber compound which is pressed into the groove
  • the disk-shaped body can alternatively be wrapped with a resin-impregnated fiber strand or a pre-impregnated textile or a circular knitted fabric can be pulled on and impregnated with resin.
  • components according to the invention can be produced by subsequent curing.
  • FIGS. 4A, B a component is shown in which a body 1 that is open at the top is filled with a reinforcing element 2 obtainable from a fibrous fill.
  • a component is manufactured by filling the cavity of a 3D printed body with resin-fiber mass. The mass is then pressed with a ram or by a vacuum bag process and, if necessary, the resin-fiber mass is refilled. When the entire cavity is filled, the body is closed with a suitable cover 4.
  • a bonding agent can be used for this purpose.
  • the body 1 is covered on all sides with reinforcing element 2; in FIG. 5C, only one side of the body 1 is covered with reinforcing element 2.
  • the surface to be reinforced is covered with a resin-containing reinforcing element 2 (for example prepreg or resin-fiber mass) and then positively connected by means of a vacuum bag process.
  • the reinforcement element 2 can be applied manually, with the aid of a robot or by means of fiber spraying.
  • the connection especially in the case of a larger number, can also be achieved by means of a specially shaped press die.
  • the body 1 has undercuts into which the reinforcing element 2 engages in a form-fitting manner, here by way of example in the form of a dovetail connection. Other shapes with an undercut can also be used.
  • the 3D printed body 1 comprises channels 6. They can be used for cooling and / or heating the component and / or for weight reduction. By using a 3D printing method to manufacture the body 1, diverse, complex structures can be represented.
  • the introduction of channels 6 is basically possible in all components according to the invention.
  • the channels can be open on one or both sides.
  • the graphs in FIG. 8 show stress-strain curves of bending tests on materials, the production of which is described in exemplary embodiments 1 and 2.
  • Two curves of fiber-reinforced components according to the invention are shown (B, C) and, as a comparison, a curve of an unreinforced comparison material (A).
  • Sandwich structure made of a plate-shaped 3D printed body (100x100x2mm 3 ) and reinforcement element that was attached to the body in the form of a phenolic resin prepreg (made of isotropic carbon fiber fleece with 450 g / m 2 ).
  • the body was made from carbon powder and phenolic resin binder using the Binder Jet process and impregnated with phenolic resin.
  • a layer of prepreg was placed on each side of the body and pressed at 7.5 bar at a maximum temperature of 170 ° C.
  • a reference sample (100x100x3mm 3 ) was produced using the same process steps, but in which no reinforcement element was attached to the body.
  • Sandwich structure made of a plate-shaped 3D printed body (100x100x2mm 3 ) and reinforcement element that was attached to the body in the form of a phenolic resin prepreg (made of 3k carbon fiber fabric with 240g / m 2).
  • the body was made from carbon powder and phenolic resin binder using the Binder Jet process and impregnated with phenolic resin.
  • Two layers of prepreg were placed on each side of the body and pressed at 7.5 bar at a maximum temperature of 170 ° C. Bend samples (100 mm ⁇ 15 mm ⁇ 3 mm) were worked out from the plate produced in this way and examined by means of a 3-point bending test.
  • the fiber-reinforced samples showed a pseudoductile behavior in the bending test, i.e. a gradual yield of the material without spontaneous failure.
  • strength and rigidity have been increased extremely by attaching the reinforcement element.
  • An exemplary bending curve of such a fiber-reinforced sample is shown in FIG. 8 (curve C).
  • Composite component made of a plate-shaped 3D printed body (100x100x40mm 3 ) and reinforcement element that was attached to the body in the form of an epoxy resin prepreg with a high glass transition temperature (made of 3k carbon fiber fabric with 245g / m 2 ).
  • the body was made from carbon powder and phenolic resin binder using the Binder Jet process. The body was then impregnated with epoxy resin and, immediately afterwards, 4 layers of prepreg were placed on one side of the body and pressed or cured at 1.5 bar / 150 ° C. A sealer and a non-stick agent from ebalta Kunststoff GmbH, Rothenburg ob der Tauber, Germany) were then applied.
  • Composite component made of a concave, 3D printed body and reinforcement element.
  • the reinforcement element was attached to the body in the form of a phenolic resin prepreg (made of isotropic carbon fiber fleece with 450 g / m 2).
  • the body was made from carbon powder and phenolic resin binder using the Binder Jet process. Thereafter, on the concave surface of the Body inserted four layers of prepreg and cured with 0.9 bar at a maximum temperature of 170 ° C in the vacuum bag process. In order to achieve particularly tight tolerances, the fiber-containing contact surface of the plastic-fiber composite lamination mold produced in this way was machined to remove it. As in Example 3, sealants and anti-adhesive agents were then applied to the contact surface. The one made in this way
  • the molding tool was characterized by a tight tolerance, high surface quality and very good non-stick effect.
  • the coefficient of thermal expansion (CTE) of the insulated, 3D printed body was 5.5 ⁇ m / (mK) and was therefore close to the CTE of the insulated, carbon fiber-containing reinforcement element, which had a CTE of approx. 2 ⁇ m / (mK) in the plane. These values are comparatively close together if one takes into account that the CTE of cured, pure epoxy resins is in the range of 80 ⁇ m / (mK). This good CTE compatibility enables almost distortion-free and precise production of fiber-reinforced composite materials when the mold is used later.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines kohlenstoffbasierten und/oder keramischen Körpers (1), welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Verbinden des Körpers mit einem faserhaltigen Verstärkungselement (2) durch ein Fügebindemittel.

Description

KUNSTSTOFFFASERVERBUNDBAUTEILE
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches Kunststofffaserverbundbauteil und dessen Verwendung.
Kunststofffaserverbundmaterialien kombinieren die Eigenschaften von Fasern und einer Kunststoffmatrix. Dadurch entsteht ein Material mit hoher Festigkeit und Steifigkeit bei niedrigem Gewicht, hoher Bruchzähigkeit und geringer thermischer Ausdehnung. Allerdings ist die Fertigung sehr aufwendig, und insbesondere die Herstellung komplexer Bauteile sehr zeit-, material- und damit kostenintensiv.
Viele Kunststofffaserverbundbauteile müssen sehr hohen Kräften standhalten und es bestehen dementsprechend hohe mechanische Anforderungen, z.B. hinsichtlich Stabilität, Steifigkeit und Bruchzähigkeit. Gleichzeitig haben viele Bauteile bestimmungsgemäß komplexe Geometrien, und sie sollen sehr leicht sein. Ein solches Anforderungsprofil besteht z.B. für Lüfterräder und Pumpenlaufräder, für Düsen, für Teile großer Designelemente wie z.B. Kulissen, insbesondere Filmkulissen und für Formwerkzeuge, wie sie zum Laminieren, Pressen oder Tiefziehen bei der Herstellung oder Umformung von kunststoffhaltigen Materialien verwendet werden.
Auf Lüfterräder und Pumpenlaufräder wirken hohe Radialkräfte. Sie weisen außerdem komplexe Geometrien mit strömungsoptimierten Leitelementen auf und sollen zugleich sehr leicht sein, da dies den Energieaufwand bei der Beschleunigung verringert.
In Düsen wirken wegen des im Inneren der Düse vorherrschenden Drucks Kräfte auf die Außenwand der Düse. Auch hier sind komplexe Geometrien erforderlich, z.B. um einen bestimmten Sprühkegel ganz gezielt einzustellen. Designelemente wie z.B. Filmkulissen sind oft sehr groß, so dass die oberen Bereiche der Kulissen große (Schwer)Kräfte auf untere Bereiche der Kulissen ausüben können. Kulissen sind komplex geformt - häufig geben sie die Oberflächen von Gebäuden detailgetreu wieder. Sie müssen außerdem leicht sein, da Kulissentransport und -aufbau sonst unnötig erschwert würden.
Bekannte Kunststofffaserverbundbauteile erfüllen dieses Anforderungsprofil gerade im Hinblick auf Kosteneffizienz nicht oder nicht in hinreichendem Maße, so dass großer Verbesserungsbedarf besteht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Kunststofffaser verbundbauteil bereitzustellen, das dort großen Kräften standhält, wo sie auf das Kunststofffaserverbundbauteil wirken, das mit geringem Aufwand in komplexer Geometrie erzeugt werden kann und das außerdem in geringer Dichte ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines kohlenstoffbasierten und/oder keramischen Körpers, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Verbinden des Körpers mit einem faserhaltigen Verstärkungselement durch ein Fügebindemittel.
Der in Schritt a) bereitgestellte Körper stellt einen kohlenstoffbasierten Körper und/oder einen keramischen Körper dar. Für den keramischen Körper kommt prinzipiell jede Keramik in Betracht, die mittels additiver Fertigung ausgehend von einem Pulver (und Binder) in einen Körper überführt werden kann. Vorzugsweise steht Keramik hierin für Siliziumcarbid. Der Körper unterliegt aber keinen besonderen Einschränkungen. Er könnte als Keramik Sand oder Aluminiumoxid, S1O2 oder ähnliches enthalten und/oder unter Verwendung dieser Materialien additiv gefertigt sein.
Der in a) bereitgestellte Körper kann bevorzugt ein kohlenstoffbasierter und/oder siliziumcarbidbasierter Körper sein, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist. Mit kohlenstoffbasiertem Körper können erfindungsgemäße Kunststoff faserverbundbauteile mit besonders niedrigem Gewicht preiswert hergestellt werden. Sie haben außerdem eine geringe thermische Ausdehnung, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Korrosionsstabilität und gute chemische Resistenz. Der siliziumcarbidbasierte Körper sorgt hingegen für eine besondere Härte und Abrasionsfestigkeit sowie hohe Korrosionsstabilität bei nur geringfügig höherem Gewicht.
Die Angabe, dass der Körper kohlenstoffbasiert und/oder keramisch, z.B. siliziumcarbidbasiert ist, bedeutet, dass der Körper mindestens zu 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens zu 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% aus Kohlenstoff und/oder Keramik, z.B. Siliziumcarbid, besteht. Die hier angegebenen Massenanteile beziehen sich auf den Körper, wie er aus der additiven Fertigung erhalten wird, also noch vor der Anbringung des Verstärkungselements und vor einer Infiltration des Körpers mit weiterer Substanz. Das bei der additiven Fertigung entstehende Gefüge besteht also mindestens zu den hier in Gew.-% angegebenen Massenanteilen aus Kohlenstoff und/oder Keramik. Die Massenanteile beziehen sich dabei auf das Verhältnis der Summe der Massenanteile an Kohlenstoff und Keramik, z.B. Siliziumcarbid, bezogen auf die Gesamtmasse des Gefüges. Da Kohlenstoff im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung amorphen Kohlenstoff und Graphit meint, geht in den Anteil an Kohlenstoff sowohl amorpher Kohlenstoff als auch Graphit ein, also jeglicher Kohlenstoff unabhängig von dessen Kri sta 11 i n i tätsg rad .
Für den kohlenstoffbasierten Körper können wie gesagt Kohlenstoffpartikel umfassend amorphen Kohlenstoff und Graphit sowie sämtliche Mischformen dieser verwendet werden. Insbesondere kann der in a) bereitgestellte Körper aus einer Mischung aus Koks und Siliziumcarbid mittels additiver Fertigung hergestellt worden sein. Die Art des verwendeten Koks ist hierbei nicht besonders eingeschränkt; es können unter anderem Kokse wie Steinkohlenteerpechkoks, Petrolkoks, Acetylenkoks, Flexikoks, Fluidkoks oder Shot Coke, bevorzugt Flexikoks, eingesetzt werden. Die vorteilhaften Eigenschaften der Verwendung der oben genannten Kohlenstoffpartikel sind in der WO 2017/089499 A1 beschrieben.
Der in Schritt a) bereitgestellte Körper ist mittels additiver Fertigung erhältlich oder hergestellt worden. Bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen eine noch vor Schritt a) erfolgende additive Fertigung des Körpers. Es ist jedoch auch möglich, die durch additive Fertigung erhältlichen oder hergestellten Körper, die in Schritt a) bereitgestellt werden, zuzukaufen oder vom erfindungsgemäßen Verfahren räumlich getrennt und/oder zeitlich entkoppelt herzustellen. Die additive Fertigung des Körpers kann also optional vom erfindungsgemäßen Verfahren umfasst sein.
Die Angabe „mittels“ additiver Fertigung bringt zum Ausdruck, dass die additive Fertigung nicht der letzte, vor Schritt a) erfolgende Bearbeitungsschritt des Körpers sein muss. Der Körper kann nach dessen additiver Fertigung weiterbearbeitet worden sein, bevor er in Schritt a) bereitgestellt wird.
So kann sich an die additive Fertigung ein Imprägnieren anschließen, um einen imprägnierten Körper zu erhalten, wobei der imprägnierte Körper in Schritt a) bereitgestellt wird. Das Imprägnieren kann mit einem flüssigen Kunstharz erfolgen. Das flüssige Kunstharz kann zu einer Kunstharzmatrix ausgehärtet werden und der die Kunstharzmatrix aufweisende Körper kann in Schritt a) bereitgestellt werden. Möglichkeiten zum Imprägnieren des Körpers mit Kunstharz und das anschließende Aushärten zur Kunstharzmatrix sind aus der WO 2017/089500 A2 bekannt. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann z.B. gekauft oder mit additiven Fertigungstechnologien hergestellt werden, die dem Fachmann aus der einschlägigen Fachliteratur bekannt sind. Er kann auch so hergestellt werden, wie in WO 2017/089499 A1 , oder WO 2017/089500 A2 beschrieben. Eine Fülle verschiedener, sehr gut geeigneter additiv gefertigter Körper können von SGL Carbon gekauft werden.
Der in Schritt a) bereitgestellte Körper besteht vorzugsweise aus Partikeln mit einer mittleren Größe (d50) im Bereich von 10-500 μm aufgebaut sein. Die daraus resultierende hohe Porosität des Körpers begünstigt die Infiltration des Körpers. Für die Bestimmung des d50-Werts kann die lasergranulometrische Methode (ISO 13320) eingesetzt werden, wobei ein Messgerät der Sympatec GmbH mit zugehöriger Auswertesoftware verwendet wird. Im bestehenden Körper kann die Partikelgröße aus dem Schliffbild bestimmt werden, z.B. lichtmikroskopisch.
Unter additiver Fertigung wird in bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren Binder Jetting oder Pastenextrusion verstanden. In einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist der in Schritt a) bereitgestellte Körper mittels Binder Jetting hergestellt worden oder mittels Binder Jetting erhältlich.
Beim Binder Jetting wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt, um so den Körper zu erzeugen. Dies bewirkt, dass der Körper pulverbasiert, hochporös, und weitgehend isotrop ist. In Schritt b) kann dann eine stoffschlüssige Verbindung des Fügebindemittels mit dem Körper entstehen, der zu einer besonders festen Verbindung von Verstärkungselement und Körper führt.
Der beim Binder Jetting verwendete Binder wird hierin als Jetting-Binder bezeichnet. Es können organische oder anorganische Jetting-Binder verwendet werden, wobei z.B. Wasserglas als anorganischer Jetting-Binder und z.B. Phenolharz oder Furanharz als organische Jetting-Binder gut verwendbar sind. Beim Binder Jetting wird ein Körper mit einem Feststoffanteil von größer 80 Gew.-%, bevorzugt größer 90 Gew.-% erhalten. Bei der Pastenextrusion wird eine Extrusionspaste in definierter weise in einem vorgegebenen Muster abgelegt, um so den Körper zu erzeugen. Das Ablegen der Extrusionspaste kann dabei schichtweise aus einem extrudierten Strang erfolgen. Die Extrusionspaste enthält vorzugsweise Kohlenstoffpartikel und/oder Keramikpartikel, z.B. Siliziumcarbidpartikel. Außerdem enthält die Extrusionspaste Binder. Der in der Extrusionspaste enthaltene Binder unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Bevorzugt ist in der Extrusionspaste als Binder enthalten, z.B., Phenolharz, Furanharz, Benzoxazinharz, Pech, Cellulose, Stärke, Zucker, Polyvinylalkohol (PVA), Thermoplaste wie z.B. Polyacryletherketone und insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyimid.
Das faserhaltige Verstärkungselement unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Als faserhaltiges Verstärkungselement kommt prinzipiell jede Faser und jedes faserhaltige Material und jede faserhaltige Masse in Betracht, welche(s) sich gemäß der Verfahrensschritte b) mit dem Körper zu einem erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundbauteil weiterverarbeiten lässt.
Faser meint im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Basaltfaser, Naturfaser (z.B. Hanffaser, Flachsfaser, Sisalfaser) und/oder Siliziumcarbidfaser, besonders bevorzugt Carbonfaser und/oder Glasfaser. Carbonfaser ist insbesondere immer dann bevorzugt, wenn hohe Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen bestehen. Glasfaser ist insbesondere immer dann bevorzugt, wenn sehr kosteneffizient gefertigt werden muss. Siliziumcarbidfaser wird bevorzugt eingesetzt, wenn es um eine gute Oxidations stabilität und Verschleißstabilität geht. Dementsprechend bedeutet „faserhaltig“, vorzugsweise „carbonfaserhaltig“, „glasfaserhaltig“, „aramidfaserhaltig“, „basalt faserhaltig“, „naturfaserhaltig“ (z.B. hanffaserhaltig, flachsfaserhaltig, sisalfaserhaltig) und/oder „siliziumcarbidfaserhaltig“. Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt jede Art des Verbindens von Körper und Verstärkungselement in Betracht. Das Verbinden kann aufeinanderfolgende Teilschritte umfassen, z.B. ein Anbringen des Verstärkungselements am Körper, ein Anpressen des Verstärkungselements am Körper und ein Aushärten. Es versteht sich, dass diese Teilschritte zeitlich getrennt oder auch quasi zeitgleich erfolgen können. Quasi zeitgleich erfolgen die Teilschritte z.B. wenn ein Verstärkungselement mit einem heißen Stempel aufgepresst wird, so dass zugleich ein thermisch induziertes Aushärten des Fügebindemittels erfolgt.
Wie aus den nachfolgenden Ausführungen zu formbaren und starren faserhaltigen Verstärkungselementen und Anbringungsmethoden deutlich wird, kann als Fügebindemittel bevorzugt ein in bestimmten Verstärkungselementen ohnehin enthaltenes Bindemittel und/oder ein zusätzlich einzubringendes Bindemittel dienen. Es kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels ein im Verstärkungselement und/oder im Körper enthaltenes Bindemittel sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Verbinden auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen werden.
Erfindungsgemäß kann also mindestens ein Teil des Fügebindemittels im Verstärkungselement und/oder im Körper enthalten sein, bevor ein erster Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement hergestellt wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine Teil des Fügebindemittels dann im Verstärkungselement (z.B.
Prepreg) enthalten, bevor ein erster Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement hergestellt wird. Kontakt bedeutet hier physischer Kontakt. Der Körper kann im Moment des ersten Kontakts z.B. porös oder vollständig oder teilweise mit ganz oder teilweise ausgehärteter oder noch nicht ausgehärter Kunstharzmatrix infiltriert sein.
Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann formbar sein. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ein Bindemittel enthält, das noch nicht ausgehärtet ist oder kein Bindemittel enthält. Die Fasern können mit dem Bindemittel benetzt oder in dem Bindemittel aufgenommen sein. Konkrete Beispiele solcher formbaren Verstärkungselemente sind eine Harz und Fasern enthaltende Masse, die hierin auch als „Harz-Faser- Masse“ bezeichnet ist, ein mindestens teilweise harzgetränktes textiles Flächengebilde (solche Flächengebilde sind als „Prepregs“ käuflich erhältlich, z.B. von SGL Carbon), ein harzgetränkter Faserstrang, z.B. ein sogenanntes Towpreg, käuflich erhältlich von SGL Carbon.
Das formbare Verstärkungselement muss jedoch kein Bindemittel enthalten. Das formbare Verstärkungselement kann eine Faser sein, wie z.B. bei Flechtschläuchen bei denen der Körper mit Fasern umflochten wird. Erfindungsgemäß kann der Körper also durch Fasern umwickelt oder umflochten werden und anschließend kann eine Imprägnierung mit Fügebindemittel erfolgen.
Das Anbringen dieser formbaren Verstärkungselemente am Körper kann z.B. erfolgen durch Pressen mithilfe einer Pressform (Anbringungsmethode 1), Aufsprühen mittels Faserspritzen (Anbringungsmethode 2), Aufpressen mittels Vakuumsackverfahren (Anbringungsmethode 3) und/oder Autoklavverfahren (Anbringungsmethode 4), oder Umwickeln und/oder Umflechten des Körpers mit dem faserhaltigen Verstärkungselement (Anbringungsmethode 5). Vakuumsackverfahren und Autoklavverfahren sind beschrieben in Drechsler, K., Heine, M., Mitschang, P., Baur,
W., Gruber, U., Fischer, L., Öttinger, 0., Heidenreich, B., Lützenburger, N. und Voggenreiter, H. (2009), Carbon Fiber Reinforced Composites, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (Ed.)., in Abschnitt 2.3.3. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, welche der vorgenannten Anbringungsmethoden 1 bis 5 für die oben aufgelisteten formbaren Verstärkungselemente zur Anbringung am Körper jeweils geeignet sind. Die Anbringung am Körper geht beim formbaren Verstärkungselement im Allgemeinen mit einer Veränderung der Form des Verstärkungselements einher. Das Verstärkungselement kann beim Anbringen an den Körper einer Kontur des Körpers flexibel angepasst werden.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren kann das (z.B. harzhaltige) Verstärkungselement also auf dem Körper abgelegt und auf den Körper aufgepresst werden. Dies kann von Hand erfolgen und wird als Handlaminieren bezeichnet. Automatisiert kann es durch Tapelegen oder Fiberpatching erfolgen, wobei z.B. ein Prepreg von einer programmierbaren Maschine auf dem Körper abgelegt wird. Das Andrücken, z.B. Aufpressen, kann ebenfalls maschinell erfolgen.
Erfindungsgemäß kann das Fügebindemittel durch Flüssigharzinfusion (LRI) in einen Bereich gelangen, in dem der Körper mit dem Verstärkungselement in Kontakt steht. So kann z.B. ein Gewebe auf den Körper aufgelegt werden und das Fügebindemittel so auf das Gewebe aufgetragen werden, dass das Fügebindemittel in den Bereich einsickert, in dem das Gewebe in Kontakt mit dem Körper steht. Gängige LRI Techniken sind beschrieben von C. Garschke, C. Weimer, P.P. Parlevliet, B.L. Fox, in Composites: Part A 43 (2012) 935-944. So kann die Flüssigharzinfusion (LRI) z.B. durch eine der dem Fachmann geläufigen Techniken erfolgen, z.B. durch resin film infusion (RFI), durch den seeman composite resin infusion moulding process (SCRIMP), durch vakuumassistierte Prozessierung (VAP) oder durch differential pressure resin transfer moulding (DP-RTM) oder durch Autoklavverfahren.
Formbare Verstärkungselemente lassen es zu, die Geometrie des Körpers ohne Rücksicht auf die Form eines starren Verstärkungselement zu optimieren. Es ist dann nicht erforderlich, einen Körper mit einer Oberfläche bereitzustellen, die spezifisch an die Oberfläche eines gegebenen, starren Verstärkungselements angepasst ist. Da das Bindemittel, z.B. Harz, formbarer Verstärkungselemente im Moment der Anbringung am Körper noch nicht ausgehärtet ist, kann es zugleich als Fügebindemittel dienen. Der Einsatz von weniger Bindemittel hilft dabei, die Dimensionsgenauigkeit zu erhalten. Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann starr sein. Starr ist das faserhaltige Verstärkungselement z.B. dann, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ausgehärtetes Bindemittel enthält. Konkrete Beispiele starrer faserhaltiger Verstärkungselemente sind
- faserverstärkte Kunststoffelemente, z.B. carbonfaser- oder glasfaserverstärkte Kunststoffelemente, insbesondere o faserverstärkte Kunststoffplatten, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffplatten (CFK oder GFK-Platten) o faserverstärkte Kunststoffringe, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffstoffringe (CFK oder GFK-Ringe) o faserverstärkte Kunststoffstäbe, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe (CFK oder GFK -Stäbe).
Das Verbinden des Körpers mit diesen starren Verstärkungselemente kann insbesondere erfolgen durch Aufpressen des Verstärkungselements auf eine Oberfläche des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement eine Platte ist), Umlegen des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Ring ist) oder Einlegen in eine Ausnehmung des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Stab, Gitter oder ein Ring ist).
Da das Bindemittel eines starren Verstärkungselements im Allgemeinen ausgehärtet ist und nicht mehr als Fügebindemittel dienen kann, kann zur Anbringung des Körpers weiteres Fügebindemittel zugeführt werden.
Erfindungsgemäß kann also mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Verbinden auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen werden. Als Fügebindemittel eignet sich jedes Mittel, mit dem für die jeweilige Verwendung des Kunststofffaserverbundbauteils eine hinreichend feste Verbindung von Körper und Verstärkungselement erreicht wird.
Das Fügebindemittel ist vorzugsweise ein Duroplast. Der Duroplast kann z.B. ein Bismaleinimidharz, ein Benzoxazinharz, ein Furanharz, ein Isocyanatharz, ein Phenolharz, ein Epoxidharz, ein Polyurethanharz, ein (Meth)Acrylatharz, ein Polyesterharze, ein Polyurethanharz, ein Silikonharz, ein Phenylsulfitharz, oder ein Cyanatesterharz umfassen. (Meth)Acrylat steht für Acrylat und/oder Methacrylat. Selbstverständlich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren dann vorzugsweise auch ein Aushärten des Duroplasten. Bismaleinimidharze, Benzoxazinharze, Furanharze, Isocyanatharze und Phenolharze zeichnen sich durch ihre besonders hohe chemische Stabilität und Temperaturstabilität aus, während Epoxidharze, Polyurethanharze und Acrylatharze eine besonders hohe mechanische Stabilität besitzen und besonders leicht verarbeitbar (infiltrierbar) sind, weil sie sehr dünnflüssig (also mit besonders geringer Viskosität) bereitgestellt werden können.
Der Duroplast kann ein Polyadditionsharz umfassen, z.B. ein Epoxidharz. Dies hat den Vorteil, dass Kunststofffaserverbundbauteile (z.B. Formwerkzeuge) mit besonders hoher Flüssigkeits- und Gasdichtigkeit, erhalten werden. Es bilden sich beim Aushärten keine Kanäle durch das Entweichen von Nebenprodukten, wie z.B. Wasser, die bei der Polykondensation entstehen und entweichen. Folglich werden besonders dichte Verbundbauteile erhalten. Dies ermöglicht wiederum eine effizientere Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit erfindungsgemäßen Formwerkzeugen. Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Formwerkzeug z.B. im Vakuumsackverfahren besonders gut einsetzen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches Kunststofffaserverbundbauteil, z.B. durch ein Kunststofffaserverbundbauteil aufweisend einen Körper und ein faserhaltiges Verstärkungselement, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Fügebindemittel, z.B. Duroplast, verbunden sind, hergestellt oder erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder durch ein Kunststofffaserverbundbauteil aufweisend einen Körper, der von Fasern frei ist oder keine Fasern mit einer Länge von mehr als 0,5 mm umfasst und ein faserhaltiges Verstärkungselement, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 20 mm, z.B. mehr als 50 mm, umfasst, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Fügebindemittel, z.B. Duroplast, verbunden sind, hergestellt oder erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Der Körper kann eine Matrix aufweisen, z.B. eine Kunstharzmatrix. Kunstharzmatrices sind aus WO 2017/089500 A2 bekannt. Dies hat den Vorteil einer höheren Stabilität des Körpers, die jedoch mit einer höheren Masse des Körpers einhergeht. Der Fachmann wägt dementsprechend je nach geplanter Verwendung ab, ob eine Kunstharzmatrix sinnvoll ist, oder nicht. In bestimmten erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundbauteilen sind die Kunstharzmatrix des Körpers und das Fügebindemittel identisch, so dass sich eine Matrix stoffschlüssig bis in das Verstärkungselement hinein erstreckt. Dies sorgt für eine besonders feste Verbindung von Körper und Verstärkungselement.
In erfindungsgemäßen Bauteilen kann das Verhältnis vom Volumen des Verstärkungs elements oder der Verstärkungselemente zum gesamten Volumen des Bauteils in breiten Bereichen variieren. Für bestimmte Bauteile/zu bestimmten Verwendungen können sehr kleine Verstärkungselemente ausreichen. Hingegen können bei anderen Bauteilen/für bestimmte Verwendungen sehr große Verstärkungselemente erforderlich sein. Im Allgemeinen beträgt das Volumenverhältnis von Verstärkungselement(en) zum gesamten Volumen des erfindungsgemäßen Bauteils 0,01 bis 0,5, bevorzugt 0,05 bis 0,25, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,2.
Der Faservolumenanteil im faserhaltigen Verstärkungselement beträgt vorzugsweise mindestens 20 Volumen-%, insbesondere mindestens 40 Volumen-%. Dies lässt sich im Schliffbild optisch bestimmen. Dazu schneidet man ein erfindungsgemäßes Bauteil einschließlich Verstärkungselement durch, schleift die beim Durchschneiden erhaltenen Schnittoberflächen ab und bestimmt visuell (z.B. mit einem Mikroskop), welchen Anteil die von Fasern eingenommenen Bereiche der Verstärkungselement-Schnittoberflächen an den gesamten Verstärkungselement-Schnittoberflächen einnehmen. Sind die Fasern innerhalb des Verstärkungselements nicht vollkommen homogen verteilt, so wird das Bauteil mehrfach durchschnitten und es werden sämtliche Verstärkungselement- Schnittoberflächen in die Bestimmung des Faservolumenanteils mit einbezogen. Es wurde schon oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, dass die Herstellung des Faserverbundbauteils unter Verwendung von formbaren Verstärkungselementen, wie z.B. Harz-Faser-Masse, erfolgen kann. Insbesondere solche Massen führen häufig zu erfindungsgemäßen Bauteilen mit ausgedehnten faserfreien, auf Harz zurückgehenden Verstärkungselementbereichen und mit dementsprechend geringem Faservolumenanteil.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist das faserhaltige Verstärkungselement ein carbonfaserhaltiges, glasfaserhaltiges, aramidfaserhaltiges, basaltfaserhaltiges, naturfaserhaltiges (z.B. hanffaserhaltiges, flachsfaserhaltiges, sisalfaserhaltiges,) und/oder siliziumcarbidfaserhaltiges, besonders bevorzugt ein carbonfaserhaltiges und/oder glasfaserhaltiges Verstärkungselement.
Das faserhaltige Verstärkungselement kann ein Gewebe, ein Spiralgewebe, ein multiaxiales Gelege, ein unidirektionales Gelege, Kurzschnittfasern, Endlosfasern, ein Vlies, einen Filz, ein Papier, ein Geflecht, ein Gestrick, ein Gestick und/oder ein Fasergitter umfassen. Gestricke sind elastisch und dadurch gut drapierbar. Geflechte und Gestricke sind bevorzugt Schläuche und lassen sich somit gut zur Außenver stärkung des Körpers verwenden. Endlosfasern umfassende Verstärkungselemente werden z.B. hergestellt indem ein Towpreg um den Körper gewickelt wird. Erfindungsgemäß weist das Faserverbundbauteil ein faserhaltiges Verstärkungs element auf, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm umfasst. Vorgenannte faserhaltige Verstärkungselemente wie z.B. Gelege, Vliese, Filze, Papiere, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter enthalten regelmäßig Fasern mit einer Länge von weit mehr als 1 mm.
Das Faserverbundbauteil kann ein faserhaltiges Verstärkungselement aufweisen, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm, z.B. mit einer mittleren Länge von mehr als 20 mm, insbesondere mit einer mittleren Länge von mehr als 50 mm umfasst. Mit kürzeren Fasern lassen sich Gelege, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter nur mit erhöhtem Aufwand verwirklichen. Gerade bei Kurzschnittfasern, Vliesen, Filzen oder Papieren sind jedoch auch sehr kurze Fasern möglich.
Hinsichtlich der Form der verbundenen Oberflächenbereiche von Verstärkungselement und Körper bestehen keine Einschränkungen. Der Körper kann formschlüssig mit dem Verstärkungselement verbunden sein. Dies bewirkt eine zusätzliche Steigerung der Stabilität der Verbindung zwischen den Teilen des Kunststofffaserverbundbauteils, also zwischen Verstärkungselement und Körper. Mindestens eines der Teile (z.B. der Körper) kann eine Hinterschneidung aufweisen, in die der andere Teil (z.B. das Verstärkungselement) formschlüssig eingreift, z.B. in Form einer Schwalbenschwanz verbindung. Dies ist im Zusammenhang mit der Erfindung sehr effektiv, da die additive Fertigung für die Herstellung von Hinterschneidungen besonders gut geeignet ist. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann also eine Hinterschneidung aufweisen. Ein formbares Verstärkungselement kann beim Anbringen z.B. durch Pressen in Formschluss mit der Hinterschneidung gebracht werden und dann formschlüssig ausgehärtet werden.
Der Körper kann eine Ausnehmung aufweisen, in die das (gesamte) faserhaltige Verstärkungselement aufgenommen ist. Die verhindert ein Verkippen, Verrutschen und Delaminieren. Das Verstärkungselement beeinflusst dann zudem die Außengeometrie des Körpers nicht. Die Oberfläche wird nicht beeinflusst, was z.B. bei einem Lüfterrad oder Pumpenlaufrad von großem Vorteil sein kann.
Mittels additiver Fertigung kann der Körper in unterschiedlichsten Geometrien bereitgestellt werden, so dass jede erdenkliche Kunststofffaserverbundbauteilgeometrie möglich ist. Ausnehmungen für faserhaltige Verstärkungselemente und/oder Hinterschneidungen können dabei an jeder beliebigen Stelle vorgesehen werden. Je nach Bauteil und dessen bestimmungsgemäßer Verwendung ergeben sich besonders hohe mechanische Belastungen immer an ganz bestimmten Stellen, an denen die faserhaltigen Verstärkungselemente gezielt angeordnet werden können. So erhält man ein Bauteil, das den zu erwartenden Belastungen in jedem Bauteilbereich gerecht wird und zugleich besonders günstig hergestellt werden kann. Das Verstärkungselement kann dort am Körper angeordnet sein, wo dieser eine Aufnahme für ein Befestigungs element (z.B. Schraube) aufweist. So kann verhindert werden, dass die auf das Befestigungselement wirkenden Kräfte zu einem Herausbrechen von Teilen des Körpers im Bereich der Aufnahme führen.
Bevorzugte erfindungsgemäße Kunststofffaserverbundbauteile zeigen ein besonders stark ausgeprägtes pseudoduktiles Bruchverhalten, was eine ausgeprägte Schadenstoleranz und Bruchzähigkeit der Bauteile mit sich bringt. Das heißt, dass sich im 3-Punkt Biegeversuch eine Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmen lässt, die nach einem ersten, auf die linear-elastische Verformung des Bauteils zurückgehenden Anstieg nicht abrupt beim ersten Schaden auf 0 fällt. Es kommt beim ersten Schaden am Bauteil nicht gleich zu einem abrupten Versagen. Zusätzlich ist eine höhere Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu einem unverstärkten Bauteilen gegeben.
Der 3-Punkt Biegeversuch kann z.B. durchgeführt werden in Anlehnung an DIN EN ISO 14125 mit Auflagerradius: 3 mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite 80 mm, mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min. Die Erfindung betrifft auch ein Formwerkzeug, insbesondere eine Laminier-, Press- oder Tiefziehform, aufweisend ein erfindungsgemäßes Kunststofffaserverbundbauteil. Vorzugsweise ist dieses Formwerkzeug großflächig. Die Kontaktoberfläche des Formwerkzeugs, an der das Formwerkzeug mit dem zu formenden Werkstück in Kontakt tritt, beträgt bevorzugt mindestens 0,05 m2, insbesondere mindestens 0,2 m2, z.B. mindestens 0,5 m2
Am Formwerkzeug kann das Verstärkungselement auf einer Oberfläche des Körpers so angeordnet sein, dass ein mit dem Formwerkzeug herzustellendes Werkstück an der Kontaktoberfläche des Formwerkzeugs nicht unmittelbar mit dem Körper in Kontakt gelangt. Dies sorgt zum einen für eine erhöhte Stabilität und zusätzlich auch für eine hohe Dichtigkeit des Formwerkzeugs.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine endkonturnahe Herstellung von Formwerkzeugen. Um besonders enge Toleranzen zu erreichen, kann die mechanische Nachbearbeitung der Kontaktoberfläche erforderlich sein. Dies muss dabei so erfolgen, dass die Gasdichtigkeit des Formwerkzeugs weiterhin gewährleistet ist.
Auf der Kontaktoberfläche des faserhaltigen Verstärkungselements kann eine Antihaftbeschichtung angebracht sein. Gängige Antihaftbeschichtungsmittel sind dem Fachmann bekannt. Die Antihaftbeschichtung kann z.B. Silikone, langkettige Alkane, Silane oder fluorierte Polymere umfassen. Im Allgemeinen lässt sich die Antihaftbeschichtung am Verstärkungselement besser anbringen, da sie in den (nicht imprägnierten) Körper hineininfiltrieren würde und an dessen Oberfläche eine entsprechende Antihaftwirkung nicht bewirkt werden könnte. Die Oberfläche des Verstärkungselements, an der die Antihaftbeschichtung angebracht ist, kommt bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Formwerkzeugs mit dem damit herzustellenden Werkstück in Kontakt. Dies verbessert die Oberflächengüte der mit dem Formwerkzeug geformten Bauteile. Alternativ kann als Antihaftschutz bei der Verwendung des Formwerkzeugs eine Folie zwischen Formwerkzeug und herzustellendes Werkstück eingelegt werden.
Wegen der geringen Masse erfindungsgemäßer Formwerkzeuge und entsprechend geringer Wärmekapazitäten brauchen die beim Formen durchlaufenen Temperaturzyklen weniger Energie. Auch sind kürzere Zyklenzeiten möglich, da das Abkühlen und Aufheizen schneller erfolgen kann. Die Faserverstärkung sorgt für ein stabiles/steifes Formwerkzeug bei niedriger Masse.
Weitgehend übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten von Formwerkzeug und den damit hergestellte Faser-Kunststoff-Verbunden sorgen für eine besonders hohe Präzision beim Formen.
Wegen des geringen spezifischen Gewichts erfindungsgemäßer Kunststofffaser verbundbauteile und wegen deren geringen Wärmekapazitäten und Wärmeaus dehnungen und deren hoher Formstabilität ermöglicht das Formwerkzeug ein besonders effizientes und präzises Herstellen von Werkstücken (z.B. Laminieren, Pressen oder Tiefziehen). Dies gilt insbesondere, wenn der in a) bereitgestellte Körper eine geringe Dichte aufweist. Zusätzlich kann der in a) bereitgestellte Körper und der Körper in erfindungsgemäßen Formwerkzeugen nicht oder nicht vollständig imprägniert sein, da dann eine niedrigere thermische Ausdehnung erreicht wird, die für die Herstellung von CFK- und GFK-Bauteilen im Formwerkzeug vorteilhaft ist. Je niedriger der Harzanteil im Körper ist, desto niedriger ist die thermische Ausdehnung. Der Fachmann wählt den Harzanteil abhängig von der mechanischen Belastung bei der Verwendung des jeweiligen erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.
Die Dichte des erfindungsgemäßen Bauteils beträgt vorzugsweise höchstens 2,5 g/cm3, insbesondere höchstens 2,3 g/cm3, z.B. höchstens 2,1 g/cm3. Verstärkungselement und Körper wirken bei erfindungsgemäßen Formwerkzeugen synergistisch zusammen: Durch additive Fertigung, z.B. Binder Jetting, ist ein sehr leichter Körper schnell und kostengünstig in komplexen Geometrien herstellbar. Das Verstärkungselement bedeckt nicht nur die poröse und damit für die Formung von Kunststoffen weniger gut geeignete Oberfläche des Körpers, sondern verleiht dem Formwerkzeug zugleich Steifheit und Festigkeit und bietet eine ideale Grundlage für eine Antihaftbeschichtung.
Somit betrifft die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zum Laminieren, Pressen oder Tiefziehen bei der Herstellung oder Umformung von einem Faser-Kunststoff-Verbund, z.B. von einem Glasfaser-Kunststoff- Verbund oder einem Carbonfaser-Kunststoff-Verbund. Dies ermöglicht eine nahezu beliebige Vervielfältigung einer initial einmal durch additive Fertigung bereitgestellten Kontur in Form des erhaltenen Faser-Kunststoff-Verbunds.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kunststofffaser verbundbauteils als Lüfterrad, Pumpenlaufrad, Kolonneneinbauten, Düse oder Rohr, oder als Teil großer Designelemente, z.B. einer Kulisse, insbesondere einer Filmkulisse, als Möbelstück oder als Teil von einem Möbelstück.
Die Erfindung betrifft somit auch ein erfindungsgemäßes Kunststofffaserverbundbauteil mit der Geometrie eines Lüfterrades (also ein Kunststofffaserverbund-Lüfterrad), mit der Geometrie eines Pumpenlaufrads (also ein Kunststofffaserverbund-Pumpenlaufrad), mit der Geometrie von Kolonneneinbauten (also Kunststofffaserverbund- Kolonneneinbauten) mit der Geometrie einer Düse (also eine Kunststofffaserverbund- Düse), mit der Geometrie eines Rohrs (also ein Kunststofffaserverbund-Rohr), mit der Geometrie einer Kulisse (also eine Kunststofffaserverbund-Kulisse) oder mit der Geometrie eines Möbelstücks (also ein Kunststofffaserverbund-Möbelstück). Bei Lüfterrädern oder Pumpenlaufrädern können durch das Verstärkungselement Radialkräfte abgefangen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verstärkungselement am Lüfterrad oder Pumpenlaufrad dort angeordnet sein, wo die Rotationsachse mit dem Lüfterrad oder Pumpenlaufrad verbunden ist. Durch die Faserverstärkung kann das Sprödbruchverhalten weitestgehend verhindert werden, welches bei additiv gefertigten Körpern ohne Faserverstärkung beobachtbar ist. Dies ist insbesondere bei rotierenden Bauteilen von großem Vorteil. Bei schnellen Rotationen wirken starke Fliehkräfte, die zum Bruch des Körpers führen können. Außerdem droht bei rotierenden Bauteilen die Gefahr von Folgeschäden an umgebenden Bauteilen, denn vollständig abgebrochene Teile können weggeschleudert werden. Außerdem kann die infolge des Bruchs auftretende Unwucht zu Folgeschäden führen. All dem wirkt die Erfindung effizient entgegen.
Bei Düsen und bei Rohren kann das Verstärkungselement den Körper umgeben. Der Körper ist einem durch die Düse oder durch das Rohr führbaren Fluid ausgesetzt, das z.B. Partikel enthalten kann. Hier kann der Körper als Verschleißschutzelement angesehen werden, das einer Abrasion entgegenwirkt. Der Körper ist dann vorzugsweise ein keramischer, z.B. siliziumcarbidbasierter Körper, da dieser besonders hart ist, so dass eine Abrasion von Düse oder Rohr wenn überhaupt nur sehr langsam erfolgt. Das umgebende Verstärkungselement steigert die Druckbeständigkeit und verhindert auch bei hohem Überdruck ein Bersten der Düse oder des Rohrs.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele illustriert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Figuren
Figur 1 A zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, 3D gedruckten Körpern Figur 1 B zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem, 3D gedrucktem Körper zwischen zwei flächigen Verstärkungselementen
Figur 1C zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, mit Fügebindemittel angebrachten 3D gedruckten Körpern Figur 1 D zeigt ein Mehrlagenbauteil in dem flächige, 3D gedruckte Körper und flächige Verstärkungselemente abwechselnd übereinander angeordnet sind,
Figur 1 E zeigt ein Sandwichbauteil, bei dem der flächige 3D gedruckte Körper eine durchgängige Ausnehmung aufweist, durch welche die beiden flächigen
Verstärkungselemente miteinander verbunden sind.
Figur 2A zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper mehrere Ausnehmungen zur
Aufnahme je eines Verstärkungselements aufweist Figur 2B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2A entlang der gestrichelten Linie Figur 2C zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper zu einem Gitter verbundene Ausnehmungen zur Aufnahme eines gitterförmigen Verstärkungselements aufweist
Figur 2D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2C entlang der gestrichelten Linie Figur 2E zeigt einen Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2B
Figur 2F zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper eine Vielzahl zylindrischer Ausnehmungen aufweist, zur Aufnahme je eines Verstärkungselements
Figur 2G zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2F entlang der gestrichelten Linie
Figur 3A zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, der von einem ringförmigen Verstärkungselement umgeben ist
Figur 3B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3A entlang der gestrichelten Linie Figur 3C zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, wobei ein ringförmiges Verstärkungselement in eine umlaufende Nut aufgenommen ist Figur 3D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3C entlang der gestrichelten Linie
Figur 4A zeigt eine Aufsicht auf ein Bauteil mit einem nach oben offenen Körper, der verfüllt ist mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement
Figur 4B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 4A entlang der gestrichelten Linie mit Deckel Figuren 5A,B und C zeigen Schnitte von Körpern, deren komplex geformte Oberfläche mit einem Verstärkungselement überzogen sind Figuren 6A, B zeigen Bauteile, in denen schwalbenschwanzförmige Verstärkungselemente in mindestens einer Nut aufgenommen sind. Figuren 7A, B zeigen Bauteile, bei denen der 3D gedruckte Körper eine Kanalstruktur enthält, wie sie z.B. zur Kühlung oder Beheizung verwendet werden kann. Figur 8 zeigt Spannungs-Dehnungs-Kurven aus 3-Punkt-Biegeversuchen.
In Figur 1A bis E sind erfindungsgemäße Bauteile in Form von Sandwichstrukturen aus flächigen Verstärkungselementen 2 und flächigen, 3D gedruckten Körpern 1 gezeigt. Solche Sandwichstrukturen werden durch Verpressen mit Duroplast hergestellt. Die Art des jeweils zu bevorzugenden Verstärkungselements 2 hängt dabei von der Geometrie des Bauteils (Verstärkungselement basierend auf Bahnware bei rechteckigen Strukturen oder Spiralgewebe bei runden Strukturen) sowie dem späteren Lastverlauf (unidirektionale, multiaxiale Gelege, Gewebe oder planar isotrope Vliese) ab.
In den Bauteilen der Figuren 1 A, B, D und E wird bei der Herstellung ein nicht ausgehärtetes, harzhaltiges und damit formbares Verstärkungselement 2 eingebracht. Als formbares Verstärkungselement kann zur Herstellung der Bauteile der Figuren 1 A,
B und D, E z.B. ein Prepreg verwendet werden. Dabei wirkt das im Prepreg enthaltene Harz als Fügebindemittel und sorgt für eine stoffschlüssige Verbindung von Körper 1 und Verstärkungselement 2.
Das Bauteil der Figur 1C ist unter Verwendung von zusätzlichem Fügebindemittel hergestellt. Das Fügebindemittel wird an den Grenzflächen zwischen Körper und Verstärkungselement aufgetragen. Eine solches Fügebindemittel kann insbesondere bei starren Verstärkungselementen nötig sein, um das Verstärkungselement 2 fest am Körper 1 anzubringen.
Es sind beliebige Lagenfolgen möglich, bei denen das Verstärkungselement 2 zwischen 3D gedruckten Körpern 1 eingebettet ist (1 A, 1C) oder ein 3D gedruckter Körper 1 zwischen Verstärkungselementen 2 eingebettet ist (1 B). Des Weiteren sind Multilagenstrukturen mit verschiedener Lagenabfolge möglich (1 D). Solche Mehrlagenstrukturen lassen sich mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 realisieren, wobei insbesondere bei der Verwendung von starren Verstärkungs elementen 2 das zusätzliche Fügebindemittel aufgebracht wird, so dass eine feste Anbringung des starren, von nicht ausgehärtetem Bindemittel im Wesentlichen freien Verstärkungselement 2 am Körper ermöglicht wird. Die äußersten Lagen können wahlweise auf 3D gedruckte Körper 1 zurückgehen oder Verstärkungselemente 2 sein. Eine durchgängige Ausnehmung im 3D gedruckten Körper 1 ermöglicht die Verbindung zweier beidseitig aufgebrachter, formbarer Verstärkungselemente 2 und somit eine zusätzliche formschlüssige Fixierung der Verstärkungselemente 2 am 3D gedruckten Körper 1 (Figur 1 E).
In Figur 2A bis G sind erfindungsgemäße Bauteile gezeigt, bei denen der/die Körper 1 Ausnehmungen aufweisen, in die Verstärkungselemente 2 aufgenommen sind. Die Herstellung kann wahlweise mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 erfolgen. Formbare, nicht ausgehärtetes Harz enthaltende Verstärkungselemente 2 (z.B. Harz-Faser-Masse) können in die Ausnehmungen hineingepresst werden. Starre Verstärkungselemente 2 werden mittels zusätzlichem Fügebindemittel in den Ausnehmungen fixiert, wobei die auf Fügebindemittel zurückgehenden Zwischenbereiche in Figuren 2A bis G nicht angedeutet sind. Anschließend wird das erfindungsgemäße Bauteil durch Härten des Fügebindemittels (z.B. Duroplasts) erhalten.
In das Bauteil der Figuren 2A,B können zum Beispiel Faserstäbe mittels Fügebindemittel eingelegt werden. In das Bauteil der Figuren 2C,D kann ein gitterförmiges Verstärkungselement eingefügt werden, z.B. ein Fasergitter.
In Figur 2E ist ein Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2C gezeigt. Zum Verbinden der drei Lagen kann ebenfalls ein Fügebindemittel verwendet werden.
Im Bauteil der Figuren 2F,G sind die Ausnehmungen innenliegend, also ringsum von Körper 1 umgeben. In die Ausnehmungen kann ein formbares Verstärkungselement 2 (z.B. eine Harz-Faser-Masse) eingepresst werden oder ein starres Verstärkungs element 2 eingeschoben werden. Zum Fügen mit starren Verstärkungselementen 2 können die Ausnehmungen zunächst mit Fügebindemittel befüllt und anschließend das Verstärkungselement 2 eingeschoben werden. Es sind Ausnehmungen mit rundem Querschnitt gezeigt, wobei genauso gut auch Ausnehmungen und Verstärkungs elemente 2 mit beliebigem, z.B. rechteckigem oder quadratischem Querschnitt denkbar wären.
In Figuren 3A bis D sind erfindungsgemäße Bauteile mit scheibenförmigem Körper 1 und ringförmigem Verstärkungselement 2 gezeigt. Der scheibenförmige Körper 1 kann vom ringförmigen Verstärkungselement 2 umgeben sein (Figuren 3A,B). Alternativ kann das Verstärkungselement 2 auch in eine umlaufenden Nut des Körpers aufgenommen sein (Figuren 3C,D). Das Verstärkungselement 2 kann dabei als starrer Ring (z.B. ein Wickelrohr aus carbonfaserverstärktem Kunststoff) mittels Fügebindemittel an den scheibenförmigen Körper angebracht (Figuren 3A,B) oder in diesen eingebracht (Figuren 3C,D) sein. Alternativ kann insbesondere zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3C,D ein formbares Verstärkungselement (z.B. eine Harz-Faser-Masse) verwendet werden, die in die Nut eingepresst wird. Zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3A,B kann der scheibenförmige Körper alternativ mit einem harzimprägnierten Faserstrang oder einem vorimprägnierten Textil umwickelt oder ein Rundgestrick aufgezogen und mit Harz imprägniert werden. Unabhängig von der Art der Anbringung des Verstärkungselements am Körper können erfindungsgemäße Bauteile durch anschließendes Aushärten erzeugt werden.
In Figuren 4A,B ist ein Bauteil gezeigt, bei dem ein nach oben offener Körper 1 mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement 2 verfüllt ist. Ein solches Bauteil wird hergestellt, indem der Hohlraum eines 3D gedruckten Körpers mit Harz-Faser-Masse verfüllt wird. Im Anschluss wird die Masse mit einem Pressstempel oder durch Vakuumsackverfahrens verpresst und gegebenenfalls nochmals Harz-Faser-Masse nachgefüllt. Ist der ganze Hohlraum befüllt, wird der Körper mit einem passenden Deckel 4 verschlossen. Hierzu kann ein Fügebindemittel verwendet werden.
In Figuren 5A und 5B ist der Körper 1 allseitig mit Verstärkungselement 2 überzogen, in Figur 5C ist nur eine Seite des Körpers 1 mit Verstärkungselement 2 überzogen. Zum überziehen komplexer Oberflächen wird die zu verstärkende Oberfläche mit einem harzhaltigen Verstärkungselement 2 belegt (z.B. Prepreg oder Harz-Faser-Masse) und anschließend mittels Vakuumsackverfahren formschlüssig verbunden. Das Auflegen des Verstärkungselements 2 kann manuell, mit Hilfe eines Roboters oder mittels Faserspritzen erfolgen. Im Fall von Figur 5C kann die Verbindung, insbesondere bei größerer Stückzahl, auch mittels eines speziell geformten Pressstempels erzielt werden. In den Bauteilen der Figuren 6A, B hat der Körper 1 Hinterschneidungen, in die das Verstärkungselement 2 formschlüssig eingreift, hier beispielhaft in Form einer Schwalbenschwanzverbindung. Es können auch andere Formen mit Hinterschneidung verwendet werden.
In Figuren 7A, B umfasst der 3D gedruckte Körper 1 Kanäle 6. Sie können zur Kühlung und/oder Beheizung des Bauteils und/oder zur Gewichtsreduktion dienen. Durch die Verwendung eines 3D Druck Verfahrens zur Herstellung des Körpers 1 lassen sich vielfältige, komplexe Strukturen darstellen. Die Einbringung von Kanälen 6 ist grundsätzlich bei allen erfindungsgemäßen Bauteilen möglich. Die Kanäle können ein- oder beidseitig offen sein.
Die Graphen in Figur 8 zeigen Spannungs-Dehnungs-Kurven von Biegeversuchen an Materialien, deren Herstellung in Ausführungsbeispiel 1 und 2 beschrieben sind. Es sind zwei Kurven erfindungsgemäßer faserverstärkter Bauteile gezeigt (B, C) und als Vergleich eine Kurve eines unverstärkten Vergleichsmaterials (A).
Bezugszeichenliste
1 Körper
2 faserhaltiges Verstärkungselement
3 Fügebindemittelbereich
4 Deckel
6 Kanal
Ausführungsbeispiele
Sämtliche Biegeversuche wurden durchgeführt in Anlehnung an DIN EN ISO 14125 mit Auflagerradius: 3 mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite 80 mm und mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min. Beispiel 1 (Sandwichstruktur mit isotropem Carbonfaservlies)
Sandwichaufbau aus einem plattenförmigen 3D gedrucktem Körper (100x100x2mm3) und Verstärkungselement das in Form eines Phenolharzprepregs (aus isotropem Carbonfaservlies mit 450 g/m2) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt und mit Phenolharz imprägniert. Auf beide Seiten des Körpers wurde je eine Lage Prepreg aufgelegt und mit 7,5 bar bei Maximaltemperatur 170°C verpresst. Zusätzlich wurde eine Referenzprobe (100x100x3mm3) mit den gleichen Prozessschritten hergestellt, bei der jedoch kein Verstärkungselement an den Körper angebracht wurde.
Aus den so hergestellten Platten wurden Biegeproben herausgearbeitet (100 mm x 15 mm x 3 mm) und mittels 3-Punkt-Biegeversuch untersucht. Die faserverstärkten Proben zeigten in der Biegekurve eine deutlich höhere Festigkeit, eine signifikant höhere Steifigkeit sowie eine deutlich höhere Dehnung bei Bruch im Vergleich zu den unverstärkten Vergleichsproben. Eine exemplarische Biegekurve ist in Figur 8 dargestellt. Kurve A zeigt eine unverstärkte Referenz, Kurve B eine faserverstärkte Probe.
Beispiel 2 (Sandwichstruktur mit 3k Carbonfaser-Gewebe)
Sandwichaufbau aus einem plattenförmigen 3D gedruckten Körper (100x100x2mm3) und Verstärkungselement das in Form eines Phenolharzprepregs (aus 3k Carbonfasergewebe mit 240g/m2) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt und mit Phenolharz imprägniert. Auf beide Seiten des Körpers wurden je zwei Lagen Prepreg aufgelegt und mit 7,5 bar bei Maximaltemperatur 170°C verpresst. Aus der so hergestellten Platte wurden Biegeproben herausgearbeitet (100 mm x 15 mm x 3 mm) und mittels 3-Punkt-Biegeversuch untersucht. Die faserverstärkten Proben zeigten im Biegetest ein pseudoduktiles Verhalten, also ein schrittweises Nachgeben des Materials ohne Spontanversagen. Zudem wurden im Vergleich zur unverstärkten Referenz Festigkeit und Steifigkeit durch das Anbringen des Verstärkungselements extrem gesteigert. Eine exemplarische Biegekurve einer solchen faserverstärkten Probe ist in Figur 8 (Kurve C) dargestellt.
Beispiel 3 (Pressform)
Verbundbauteil aus einem plattenförmigen 3D gedrucktem Körper (100x100x40mm3) und Verstärkungselement das in Form eines Epoxidharzprepreg mit hoher Glasübergangstemperatur (aus 3k Carbonfasergewebe mit 245g/m2) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt. Danach wurde der Körper mit Epoxidharz imprägniert und direkt im Anschluss wurden auf eine Seite des Körpers 4 Lagen Prepreg aufgelegt und bei 1 ,5 bar / 150°C verpresst bzw. ausgehärtet. Im Anschluss wurden ein Versiegler und ein Antihaftmittel der Firma ebalta Kunststoff GmbH, Rothenburg ob der Tauber, Deutschland) aufgetragen.
Mit der so hergestellten Kunststofffaserverbund-Pressform wurden Abformungsversuche durchgeführt. Dabei wurde Epoxidharzprepreg auf der faserhaltigen Oberfläche des Formwerkzeugs aufgelegt und durch Heißpressen ausgehärtet. Die hergestellten CFK Platten konnten innerhalb von 10-15 min problemlos entformt werden und wiesen eine besonders glatte Oberfläche auf.
Beispiel 4 (Laminierform)
Verbundbauteil aus einem konkaven, 3D gedrucktem Körper und Verstärkungselement. Das Verstärkungselement wurde in Form eines Phenolharzprepreg (aus isotropem Carbonfaservlies mit 450 g/m2) am Körper angebracht.
Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt. Danach wurden auf der konkaven Oberfläche des Körpers vier Lagen Prepreg eingelegt und mit 0,9 bar bei Maximaltemperatur von 170°C im Vakuumsackverfahren ausgehärtet. Um besonders enge Toleranzen zu erreichen, wurde die faserhaltige Kontaktoberfläche der so hergestellten Kunststofffaserverbund- Laminierform abtragend bearbeitet. Wie in Beispiel 3 wurden anschließend Versiegler und Anti haftmittel auf die Kontaktoberfläche aufgetragen. Das so hergestellte
Formwerkzeug zeichnete sich durch eine enge Toleranz, hohe Oberflächengüte und sehr gute Antihaftwirkung aus. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) des isolierten, 3D gedruckten Körpers betrug 5,5 μm /(mK) und lag damit nahe am CTE des isolierten, carbonfaserhaltigen Verstärkungselements, welches in der Ebene einen CTE von ca. 2 μm/(mK) aufwies. Diese Werte liegen vergleichsweise nahe beieinander, wenn man berücksichtigt, dass der CTE von ausgehärteten, reinen Epoxidharzen im Bereich um 80 μm /(mK) liegt. Diese gute CTE-Kompatibilität ermöglicht eine nahezu verzugsfreie und Präzise Fertigung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen beim späteren Einsatz der Formwerkzeugs.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines kohlenstoffbasierten und/oder keramischen Körpers, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Verbinden des Körpers mit einem faserhaltigen Verstärkungselement durch ein Fügebindemittel.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Fügebindemittel ein Duroplast ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der in Schritt a) bereitgestellte Körper mittels Binder Jetting oder Pastenextrusion hergestellt worden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein Teil des Fügebindemittels im Verstärkungselement und/oder im Körper enthalten ist, bevor ein erster Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verstärkungselement auf dem Körper abgelegt und auf den Körper aufgepresst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper durch Fasern umwickelt oder umflochten wird und anschließend eine Imprägnierung mit Fügebindemittel erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Verbinden auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Fügebindemittel durch
Flüssigharzinfusion (LRI) in einen Bereich gelangt, in dem der Körper mit dem Verstärkungselement in Kontakt steht.
9. Kunststofffaserverbundbauteil aufweisend einen Körper und ein faserhaltiges
Verstärkungselement, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Fügebindemittel verbunden sind, hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8.
10. Kunststofffaserverbundbauteil nach Anspruch 9, wobei das faserhaltige
Verstärkungselement ein carbonfaserhaltiges, glasfaserhaltiges, aramidfaserhaltiges, basaltfaserhaltiges, naturfaserhaltiges und/oder siliziumcarbidfaserhaltiges Verstärkungselement ist.
11. Kunststofffaserverbundbauteil nach Anspruch 9 oder 10, wobei das faserhaltige
Verstärkungselement ein Gewebe, ein Spiralgewebe, ein multiaxiales Gelege, ein unidirektionales Gelege, Kurzschnittfasern, Endlosfasern, ein Vlies, einen Filz, ein Papier, ein Geflecht, ein Gestrick, ein Gestick und/oder ein Fasergitter umfasst.
12. Formwerkzeug, insbesondere Laminier-, Press- oder Tiefziehform, aufweisend ein Kunststofffaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
13. Verwendung eines Kunststofffaserverbundbauteils nach einem der Ansprüche 9 bis 11 als Lüfterrad, Pumpenlaufrad, Kolonneneinbauten, Düse oder Rohr, oder als Teil großer Designelemente, z.B. einer Kulisse, insbesondere einer Filmkulisse, als Möbelstück oder als Teil von einem Möbelstück.
14. Verwendung des Formwerkzeugs nach Anspruch 12 zum Laminieren, Pressen oder Tiefziehen bei der Herstellung oder Umformung von einem Faser- Kunststoff-Verbund.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6899777B2 (en) * 2001-01-02 2005-05-31 Advanced Ceramics Research, Inc. Continuous fiber reinforced composites and methods, apparatuses, and compositions for making the same
WO2017089494A1 (de) * 2015-11-24 2017-06-01 Sgl Carbon Se 3d drucken von einem keramischen bauteil
US10022890B2 (en) * 2015-09-15 2018-07-17 Honeywell International Inc. In situ carbonization of a resin to form a carbon-carbon composite
CN108709198A (zh) * 2018-06-06 2018-10-26 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015013915A1 (de) * 2015-10-27 2017-04-27 Florian Eichenhofer Maschinensystem zur Herstellung eines Hybridbauteils

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6899777B2 (en) * 2001-01-02 2005-05-31 Advanced Ceramics Research, Inc. Continuous fiber reinforced composites and methods, apparatuses, and compositions for making the same
US10022890B2 (en) * 2015-09-15 2018-07-17 Honeywell International Inc. In situ carbonization of a resin to form a carbon-carbon composite
WO2017089494A1 (de) * 2015-11-24 2017-06-01 Sgl Carbon Se 3d drucken von einem keramischen bauteil
CN108709198A (zh) * 2018-06-06 2018-10-26 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法

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