WO2021228476A1 - Verfahren zu herstellung eines bauteils aus einem faserverbundwerkstoff - Google Patents

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WO2021228476A1
WO2021228476A1 PCT/EP2021/059306 EP2021059306W WO2021228476A1 WO 2021228476 A1 WO2021228476 A1 WO 2021228476A1 EP 2021059306 W EP2021059306 W EP 2021059306W WO 2021228476 A1 WO2021228476 A1 WO 2021228476A1
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fiber
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matrix
closure means
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Thomas SCHOMBERG
Florian GERLAND
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Universität Kassel
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    • B28C5/40—Mixing specially adapted for preparing mixtures containing fibres
    • B28C5/404—Pre-treatment of fibres
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    • C04B26/02—Macromolecular compounds
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    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
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    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00137—Injection moldable mixtures

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component from a fiber composite material and a component from a fiber composite material.
  • Fiber composite materials are multiphase materials, which generally consist of two main components, which are formed by tensile fibers and a matrix that embeds the fibers.
  • fiber composite materials are characterized by excellent mechanical properties, in particular very high tensile and flexural strength.
  • fiber composite material includes both fiber-plastic composites with matrices made of polymers, for example glass fiber or
  • Carbon fiber-reinforced plastics such as “bulk molding compounds” as well as composite materials with other matrix materials, in particular fiber-reinforced concretes, in which, for example, steel fibers are introduced into the mineral casting.
  • Unreinforced concretes can only absorb tensile stresses to a very limited extent, which is why the aforementioned fiber-reinforced concretes are known in the prior art, in particular ultra-high-strength concretes which achieve increased tensile strength by adding fiber elements, in particular made of steel.
  • the addition of the fiber elements leads to a change in the theological properties, which is reflected in a deterioration in the flowability and thus the workability of the corresponding fresh concrete.
  • the cause is an agglomeration of the fiber elements, the so-called hedgehog formation, which significantly worsens the pouring properties of the fresh concrete.
  • the hedgehog formation also results in a highly inhomogeneous distribution of the fiber elements in the cement matrix, which means that the desired tensile strength of the resulting component is not achieved, since there are no tensile load-transferring elements in sections with a low fiber concentration.
  • DE 102018 107 926 A1 teaches the use of fiber elements made from a shape memory alloy.
  • the fiber elements are introduced into the mineral casting in a plastically deformed, compacted intermediate form, with the fiber elements being prevented from hooking together in this intermediate form, thus ensuring that the fresh concrete can be cast.
  • the fresh concrete is heated and, above a transition temperature, the fiber elements decrease due to the
  • Shape memory effect on a previously trained fiber shape with an elongated extension whereby the desired increase in the tensile strength of the hardened concrete is achieved.
  • Disadvantages of this prior art method are the high material costs for fiber elements made from shape memory alloys and the generally poor corrosion resistance of shape memory alloys.
  • the invention includes the technical teaching that the method for producing a component from a fiber composite material comprises at least the following steps:
  • Closure means with the matrix and / or due to heating of the closure means is canceled, so that the deformed fiber elements are returned to the basic shape with relief from the intermediate shape.
  • the invention is based on the idea that the fixation of the fiber elements in the theologically preferred intermediate form is ensured by means of a separate closure means, whereby the materials suitable for forming the fiber elements are not limited to the shape memory alloys used in the prior art, but rather a large one A large number of different materials can be used.
  • the only technical boundary condition is the availability of sufficient elastic deformability of the material, i.e.
  • the elastic restoring forces of the fiber elements used according to the invention can also be significantly stronger than the restoring forces of fiber elements from the prior art based on the shape memory effect. Therefore
  • the viscosity of the matrix in the fiber-matrix mixture according to the invention can be greater than in mixtures from the prior art, without the return of the deformed fiber elements to the basic shape being impaired as a result. Therefore, according to the invention, there is also greater freedom in the choice of suitable matrix materials or, when using a mineral cast to form a fiber-reinforced concrete, a lower proportion of water can be set.
  • the closure means which must develop a sufficient fixing effect during the introduction of the deformed fiber elements into the matrix and during the application of the fiber-matrix mixture in a component form in order to keep the fiber elements in the intermediate form . It must then be ensured that this fixing effect is neutralized during a sufficiently short reaction time so that the deformed fiber elements return to their basic shape before the solidification process of the fiber-matrix mixture is completed.
  • the individual fiber elements are deformed into a compacted shape, a donut shape, a spiral shape, a ball shape or a wound shape to form the intermediate shape.
  • the intermediate shape is designed in such a way that the fiber elements get caught in one another and thus an agglomeration is effectively prevented.
  • the intermediate form should not have any freely protruding ends of the fiber elements which could potentially function as hooks.
  • the fiber elements have, for example, an essentially uniaxial longitudinal extension, for example a rod shape, and more complex basic shapes which are suitable for absorbing multidirectional tensile loads can also be used.
  • the cross section of the Fiber elements can be selected from any suitable shape, for example round, oval or angular. The choice of the cross section can be made, for example, on the basis of functional-mechanical properties or the deformability or a manufacturing process. The shape and diameter of the cross section can also vary along the fiber elements.
  • the fixing of the fiber elements in the intermediate form is carried out by means of the closure means with the formation of an adhesive connection or a form fit.
  • the closure means is formed with an adhesive.
  • Adhesives are organic or inorganic substances which, in order to form an adhesive connection, exhibit pronounced adhesion to the joint partners and, in order to develop a high level of cohesion, carry out a solidification process based on a chemical reaction or a physical process.
  • the adhesive can be used, for example, to fix the fiber elements in sections in the intermediate form, in particular with the formation of an adhesive point, or it can be used to enclose the deformed ones over their entire circumference
  • Form fiber elements Suitable types can be selected from the large number of available adhesives, which are adapted to the respective matrix in such a way that the intended chemical-physical interaction takes place to cancel the fixing effect of the closure means.
  • the closure means can be formed with an adhesive which is dissolved during the reaction time due to solvation or an acid-base reaction with the matrix.
  • an exothermic reaction can take place, for example during the hydration of a cement, and the heat of reaction released is sufficient, for example, to dissolve the adhesive or to weaken it to a sufficient extent.
  • the formation of a small-scale adhesive point with a sufficiently strong adhesive to fix the deformed fiber elements offers the advantage of a relatively low adhesive requirement, so that after the adhesive has dissolved in the fiber composite material ultimately formed there is only a small proportion of corresponding residues.
  • the closure means is formed with a plastic, a paper, an adhesive tape, a wax or a resin.
  • Such closure means are particularly suitable for fixing the deformed fiber elements with the formation of a form fit.
  • polymer-based foils or paper can be used to wrap the fiber elements in the intermediate form, for example in the manner of wrapping coin rolls.
  • tailor-made lock rings can be manufactured in the manner of watch spring locks, for example from water-soluble polyvinyl alcohol.
  • the chemical-physical interaction with the matrix consists, for example, in the case of using paper in swelling, which is accompanied by a weakening of the strength of the paper until the restoring force of the elastically deformed fiber elements is sufficiently large to return the fiber elements to their basic shape.
  • the deformed fiber elements can also be enclosed in solidified drops of low-melting plastics, resins or wax, with heating of the associated fiber-matrix mixture leading to softening or melting of the closure means and consequently to demolding of the fiber elements into the basic shape.
  • the fiber elements can be shaped like safety pins, the closure of which consists, for example, of a closure means formed from a plastic, which is opened under chemical-physical interaction with the matrix or by heat.
  • the fiber elements for fixing in the intermediate form are partially or completely enveloped by the closure means.
  • a sheathing in sections can be sufficient, for example, if the fiber elements in the intermediate form have a substantially planar shape, for example in the form of a ring or a spiral, which is then held together circumferentially by a closure means in the manner of a watch spring band.
  • fiber elements in the intermediate form can be arranged in groups, with the groups for fixing the fiber elements in the intermediate form being partially or completely enveloped by the closure means.
  • fiber elements in the intermediate shape and fiber elements in the basic shape can be arranged in the groups.
  • Such a grouping of fiber elements offers advantages in particular in terms of production.
  • the elastic return of the deformed fiber elements to the basic shape preferably also leads to a dispersion of the undeformed fiber elements within the matrix.
  • the invention further relates to a component made of a fiber composite material, produced with the method according to the invention in one of the aforementioned embodiments, wherein the fiber elements comprise a spring steel or a plastic, or comprise glass fibers, carbon fibers or natural fibers. Natural fibers can include bamboo or flax, for example.
  • the detailed choice of the material for the fiber elements depends both on the material used for the matrix and on the intended technical application of the component. If necessary, suitable combinations of fiber elements made of different materials can also be used.
  • the matrix preferably has the component forming the component
  • Fiber composite material a mineral casting, a cement, a plastic, a ceramic, a metal or clay.
  • the component according to the invention can thus represent, for example, a load-bearing component made from a concrete, or else an injection-molded component or an extrusion profile, for example made from a “bulk molding compound”.
  • More exotic fiber composites are made from tungsten or stainless steel fibers in aluminum-magnesium alloys, for example, or as ecological building materials with bamboo fibers in clay.
  • FIG. 1 a schematic representation of the method according to the invention
  • 2a, 2b are views of a group of fixed fiber elements.
  • 1 shows a schematic representation of the method 100 according to the invention.
  • the first method steps consist in providing 101 a matrix 11 and in providing 102 fiber elements 12 which are in the basic geometric shape 12a, in the present case in a rod shape.
  • the matrix 11 is formed here, for example, by a mineral casting, that is to say by a mixture of a cement with an aggregate and, for example, other aggregates.
  • the fiber elements 12 preferably have an elastic spring steel and have, for example, a longitudinal extension of a few millimeters.
  • the next method step consists in the elastic deformation 103 of at least a part of the fiber elements 12 into an intermediate shape 12b, which is designed here as a donut shape, for example.
  • an intermediate shape 12b which is designed here as a donut shape, for example.
  • the fiber elements 12 are prevented from hooking with one another, so that the formation of a hedgehog with agglomeration of a large number of fiber elements 12 is effectively prevented.
  • the closure means 2 is used, which in the present example is designed as an adhesive 21 which envelops the fiber elements 12 along the edge along the outer circumference and is thus fixed in the intermediate form 12b.
  • the closure means could also be formed using an adhesive by an adhesive point between the ends of the fiber elements 12 bent towards one another, or an inclusion of the fiber elements 12 in a solidified drop of a plastic, a resin or wax.
  • the next process step consists in introducing 105 the fixed fiber elements 12 into the matrix 11 with the formation of the fiber-matrix mixture 10.
  • This fiber-matrix mixture 10 is due to the
  • the compact intermediate form 12b of the fiber elements 12 is provided with theological properties suitable for further processing, in particular the fresh concrete formed therefrom with the addition of water has good pourability.
  • the application 106 of the fiber-matrix mixture 10, ie the fresh concrete, in a form of the component thus takes place without disruptive hedgehog formation through agglomeration of the fiber elements 12.
  • Chemical interaction with the matrix 11, for example solvation or an acid-base reaction occurs During the reaction time t, the adhesive 21 decomposes and thus the fixing effect exerted on the deformed fiber elements 12 is weakened or completely eliminated.
  • This decomposition process is additionally or alternatively influenced by the heating Q, which can originate, for example, from the heat of reaction released during the hydration of the cement or, if necessary, also through targeted heating of the component using technical aids.
  • the fiber elements 12 return from the intermediate shape 12b to the original basic shape 12a, relieving the load, i.e. releasing the stored elastic deformation energy.
  • the component is thus obtained 107 from a fiber composite material 1 in which the fiber elements 12 are homogeneously distributed in the matrix 11 in the functional basic shape 12a, i.e. in an elongated extension to absorb tensile loads.
  • FIG. 2a and 2b show views of a group 13 of fiber elements 12 which are fixed by a common closure means 2.
  • the FIG. 2a shows a plan view
  • FIG. 2b shows a side view as a perspective sectional illustration.
  • the group 13 comprises a stack of several fiber elements 12 in the intermediate shape 12b, in which the fiber elements 12 have the shape of a plane spiral. Further fiber elements 12 are arranged therein in the rod-shaped basic shape 12a.
  • the group 13 is fixed by the closure means 2 in the form of a paper 22 which completely envelops the group 13.
  • a polymer-based film could be used here as a closure means enveloping the group 13.
  • the chemical-physical interaction consists in particular in that the paper 22 swells while absorbing liquid, for example water from fresh concrete, and loses its fixing effect after the reaction time has elapsed.
  • the stacked fiber elements 12 pass from the intermediate form 12b with relief into the rod-shaped basic form 12a.
  • the fiber elements 12 arranged in the stack which are already templates in the group 13 in the basic shape 12a, are carried along by the relieving fiber elements 12 and distributed in the surrounding matrix, so that the fiber composite material has a structure with dispersed fiber elements 12 after the reaction time has elapsed has in the basic shape 12a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff (1) wenigstens umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (101) einer Matrix (11) des Faserverbundwerkstoffs (1), - Bereitstellen (102) von Faserelementen (12), wobei sich die Faserelemente (12) jeweils in einer geometrischen Grundform (12a) befinden, - elastisches Verformen (103) von wenigstens einem Teil der Faserelemente (12) in eine Zwischenform (12b), in weicherein Verhaken der Faserelemente (12) miteinander verhindert ist und/oder in welcher die Faserelemente (12) eine kompaktere Gestalt als in der Grundform (12a) aufweisen, - Fixieren (104) der Faserelemente (12) in der Zwischenform (12b) mittels eines Verschlussmittels (2), - Einbringen (105) der Faserelemente (12) in die Matrix (11) zur Bildung eines Faser-Matrix-Gemenges (10), - Ausbringen (106) des Faser-Matrix-Gemenges (10) in eine Form des Bauteils, und - Erhalt (107) des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff (1) nach Ablauf einer Reaktionsdauer (t), während welcher die Fixierwirkung des Verschlussmittels (2) aufgrund einer chemisch-physikalischen Wechselwirkung des Verschlussmittels (2) mit der Matrix (11) und/oder aufgrund einer Erwärmung (Q) des Verschlussmittels (2) aufgehoben wird, so dass die verformten Faserelemente (12) unter Entlastung von der Zwischenform (12b) in die Grundform (12a) zurückgeführt werden.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUTEILS AUS EINEM FASERVERBUNDWERKSTOFF
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff sowie ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff.
STAND DER TECHNIK
Faserverbundwerkstoffe sind mehrphasige Werkstoffe, welche im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten bestehen, welche durch zugfeste Fasern sowie eine die Fasern einbettende Matrix gebildet werden. Für technische Anwendungen zeichnen sich Faserverbundwerkstoffe durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus, insbesondere sehr hohe Zug- und Biegefestigkeit. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff des Faserverbundwerkstoffs sowohl Faser-Kunststoff-Verbunde mit Matrizen aus Polymeren, beispielsweise Glasfaser- oder
Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe wie „bulk moulding compounds“, als auch Verbundwerkstoffe mit anderen Matrixwerkstoffen, insbesondere faserverstärkte Betone, bei welchen beispielsweise Stahlfasern in den Mineralguss eingebracht werden.
Unverstärkte Betone können nur sehr begrenzt Zugspannungen aufnehmen, daher sind im Stand der Technik vorgenannte faserverstärkte Betone bekannt, insbesondere ultrahochfeste Betone, welche durch Zugabe von Faserelementen, insbesondere aus Stahl, eine erhöhte Zugfestigkeit erreichen. Die Zugabe der Faserelemente führt allerdings zu einer Veränderung der Theologischen Eigenschaften, was sich in einer Verschlechterung der Fließfähigkeit und somit der Verarbeitbarkeit des entsprechenden Frischbetons niederschlägt. Ursächlich ist dabei eine Agglomeration der Faserelemente, die sogenannte Igelbildung, wodurch die Gießeigenschaften des Frischbetons signifikant verschlechtert werden. Zudem resultiert aus der Igelbildung auch eine stark inhomogene Verteilung der Faserelemente in der Zementmatrix, was zur Folge hat, dass die angestrebte Zugfestigkeit des resultierenden Bauteils nicht erreicht wird, da es in Abschnitten geringer Faserkonzentration keine zuglastabtragenden Elemente gibt.
Zur Verhinderung derartiger Agglomerationen der Faserelemente lehrt die DE 102018 107 926 A1 die Verwendung von Faserelementen aus einer Formgedächtnislegierung. In dem dort offenbarten Verfahren werden die Faserelemente in einer plastisch verformten, kompaktierten Zwischenform in den Mineralguss eingebracht, wobei in dieser Zwischenform ein Verhaken der Faserelemente untereinander verhindert ist, und somit die Vergießbarkeit des Frischbetons gewährleistet bleibt. Nach dem Vergießen erfolgt eine Erwärmung des Frischbetons und oberhalb einer Übergangstemperatur nehmen die Faserelemente aufgrund des
Formgedächtniseffekts eine zuvor antrainierte Faserform mit länglicher Erstreckung an, wodurch die gewünschte Steigerung der Zugfestigkeit des ausgehärteten Betons erreicht wird. Nachteilig an diesem Verfahren aus dem Stand der Technik sind die hohen Materialkosten für Faserelemente aus Formgedächtnislegierungen, sowie die im Allgemeinen schlechte Korrosionsbeständigkeit von Formgedächtnislegierungen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, wobei insbesondere eine gute Verarbeitbarkeit des auszubringenden Faser-Matrix-Gemenges gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Matrix des Faserverbundwerkstoffs,
- Bereitstellen von Faserelementen, wobei sich die Faserelemente jeweils in einer geometrischen Grundform befinden,
- elastisches Verformen von wenigstens einem Teil der Faserelemente in eine Zwischenform, in welcher ein Verhaken der Faserelemente miteinander verhindert ist und/oder in welcher die Faserelemente eine kompaktere Gestalt als in der Grundform aufweisen,
- Fixieren der Faserelemente in der Zwischenform mittels eines Verschlussmittels, - Einbringen der Faserelemente in die Matrix zur Bildung eines Faser-
Matrix-Gemenges,
- Ausbringen des Faser-Matrix-Gemenges in eine Form des Bauteils, und
- Erhalt des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff nach Ablauf einer Reaktionsdauer, während welcher die Fixierwirkung des Verschlussmittels aufgrund einer chemisch-physikalischen Wechselwirkung des
Verschlussmittels mit der Matrix und/oder aufgrund einer Erwärmung des Verschlussmittels aufgehoben wird, so dass die verformten Faserelemente unter Entlastung von der Zwischenform in die Grundform zurückgeführt werden. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass die Fixierung der Faserelemente in der Theologisch bevorzugten Zwischenform mittels eines separaten Verschlussmittels gewährleistet wird, wodurch die zur Bildung der Faserelemente geeigneten Werkstoffe nicht auf die im Stand der Technik verwendeten Formgedächtnislegierungen beschränkt sind, sondern vielmehr eine große Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe in Frage kommt. Die einzige technische Randbedingung besteht dabei im Vorhandensein einer ausreichenden elastischen Verformbarkeit des Werkstoffs, d.h. es muss gewährleistet sein, dass ein entsprechend hoher Verformungsgrad zur Bildung einer ausreichend kompaktierten Zwischenform gegeben ist und zudem muss die in den verformten Faserelementen gespeicherte elastische Energie ausreichend groß sein, um die Faserelemente unter Entlastung wieder in die unverformte Grundform zurückzuführen oder zumindest einen signifikanten Rückverformungsgrad zu bewirken, beispielsweise um mehr als 50%. Unter dieser Voraussetzung ist es erfindungsgemäß möglich, die Wahl des für die Faserelemente verwendeten Werkstoffes an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen technischen Anwendung und des verwendeten Matrixwerkstoffes anzupassen. Dabei können beispielsweise das spezifische Gewicht der Faserelemente, die Korrosionsbeständigkeit, die mechanischen Eigenschaften oder die Material- und Herstellungskosten von Belang sein. In dieser signifikanten Erweiterung der für die Faserelemente ersetzbaren Werkstofftypen unter Beibehaltung der Verarbeitbarkeit des entsprechenden Faser-Matrix-Gemenges besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik.
In Abhängigkeit von der Werkstoffauswahl können zudem die erfindungsgemäß genutzten elastischen Rückstellkräfte der Faserelemente wesentlich stärker sein als die auf dem Formgedächtniseffekt basierenden Rückstellkräfte von Faserelementen aus dem Stand der Technik. Daher kann die Viskosität der Matrix im erfindungsgemäßen Faser-Matrix- Gemenge größer sein als bei Gemengen aus dem Stand der Technik, ohne dass die Rückführung der verformten Faserelemente in die Grundform dadurch beeinträchtigt wird. Daher besteht erfindungsgemäß auch eine größere Freiheit in der Wahl geeigneter Matrixwerkstoffe bzw. es kann bei der Verwendung eines Mineralgusses zur Bildung eines faserverstärkten Betons ein geringerer Wasseranteil eingestellt werden.
Entscheidend für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Wahl des Verschlussmittels, welches während des Einbringens der verformten Faserelemente in die Matrix und während des Ausbringens des Faser-Matrix-Gemenges in eine Bauteilform eine ausreichende Fixierwirkung entfalten muss, um die Faserelemente in der Zwischenform zu halten. Anschließend muss gewährleistet sein, dass diese Fixierwirkung während einer ausreichend kurzen Reaktionsdauer aufgehoben wird, sodass die verformten Faserelemente in ihre Grundform zurückkehren, bevor der Verfestigungsprozess des ausgebrachten Faser-Matrix- Gemenges abgeschlossen ist. In vorteilhafter Ausführungsform werden die einzelnen Faserelemente zur Bildung der Zwischenform in eine kompaktierte Form, eine Kringelform, eine Spiralform, eine Knäulform oder eine Wickelform verformt. Maßgeblich ist, dass die Zwischenform derart gestaltet ist, dass ein Verhaken der Faserelemente miteinander und somit eine Agglomeration effektiv verhindert wird. Insbesondere sollte die Zwischenform keine frei abstehenden Enden der Faserelemente aufweisen, welche potenziell als Haken fungieren könnten. In der Grundform weisen die Faserelemente beispielsweise eine im Wesentlichen uniaxiale Längserstreckung auf, beispielsweise eine Stabform, zudem können auch komplexere Grundformen verwendet werden, welche zur Aufnahme von multidirektionalen Zugbelastungen geeignet sind. Der Querschnitt der Faserelemente kann beliebig aus einer geeigneten Gestalt gewählt sein, beispielsweise rund, oval oder eckig. Die Wahl des Querschnitts kann beispielsweise aufgrund von funktional-mechanischen Eigenschaften oder der Verformbarkeit oder einem Herstellungsprozess getroffen werden. Gestalt und Durchmesser des Querschnitts können dabei auch entlang der Faserelemente variieren.
Insbesondere wird das Fixieren der Faserelemente in der Zwischenform mittels des Verschlussmittels unter Bildung einer Klebeverbindung oder eines Formschlusses vollzogen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verschlussmittel mit einem Klebstoff gebildet. Klebstoffe sind organische oder anorganische Substanzen, welche zur Bildung einer Klebeverbindung eine ausgeprägte Adhäsion zu den Fügepartnern aufweisen und zur Ausbildung einer hohen Kohäsion einen Verfestigungsprozess aufgrund einer chemischen Reaktion oder eines physikalischen Vorgangs vollziehen. Der Klebstoff kann beispielsweise zur abschnittsweisen Fixierung der Faserelemente in der Zwischenform, insbesondere unter Bildung einer Klebestelle, verwendet werden oder eine vollumfängliche Umhüllung der verformten
Faserelemente bilden. Aus der Vielzahl von verfügbaren Klebstoffen können geeignete Typen ausgewählt werden, welche an die jeweilige Matrix derart angepasst sind, dass sich die beabsichtigte chemischphysikalische Wechselwirkung zur Aufhebung der Fixierwirkung des Verschlussmittels vollzieht. Beispielsweise kann das Verschlussmittel mit einem Klebstoff gebildet werden, welcher während der Reaktionsdauer aufgrund einer Solvatisierung oder einer Säure-Basen-Reaktion mit der Matrix aufgelöst wird. Des Weiteren gibt es Klebstoffe, welche unter Erwärmung ihre Fixierwirkung verlieren, sodass beispielsweise durch eine gezielte Erwärmung des ausgebrachten Faser-Matrix-Gemenges die Verschlussmittel gelöst werden können. Zudem kann während der Verfestigung des Faser-Matrix-Gemenges eine exotherme Reaktion ablaufen, beispielsweise bei der Hydratation eines Zements, und die dabei freiwerdende Reaktionswärme ist beispielsweise ausreichend, um den Klebstoff aufzulösen bzw. in hinreichendem Maße zu schwächen. Die Bildung einer kleinräumigen Klebestelle mit einem ausreichend starken Klebstoff zur Fixierung der verformten Faserelemente bietet den Vorteil eines verhältnismäßig geringen Klebstoffbedarfs, so dass nach Auflösen des Klebstoffs im letztlich gebildeten Faserverbundwerkstoff nur ein geringer Anteil an entsprechenden Rückständen vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verschlussmittel mit einem Kunststoff, einem Papier, einem Klebeband, einem Wachs oder einem Harz gebildet. Derartige Verschlussmittel sind insbesondere zur Fixierung der verformten Faserelemente unter Bildung eines Formschlusses geeignet.
Beispielsweise können polymerbasierte Folien oder Papier zur Umhüllung der Faserelemente in der Zwischenform verwendet werden, beispielsweise nach Art der Umwicklung von Münzgeldrollen. Beispielsweise können mittels 3D-Druckverfahren maßgeschneiderte Verschlussringe nach Art von Uhrenfederverschlüssen gefertigt werden, etwa aus wasserlöslichem Polyvinylalkohol. Die chemisch-physikalische Wechselwirkung mit der Matrix besteht beispielsweise im Falle der Verwendung von Papier in einem Aufquellen, welches mit einer Schwächung der Festigkeit des Papiers einhergeht, bis die Rückstellkraft der elastisch verformten Faserelemente ausreichend groß ist, um die Faserelemente in die Grundform zurückzuführen. Alternativ können die verformten Faserelemente auch in verfestigten Tropfen von niedrigschmelzenden Kunststoffen, Harzen oder Wachs eingeschlossen sein, wobei eine Erwärmung des zugehörigen Faser-Matrix-Gemenges zu einem Erweichen oder Schmelzen des Verschlussmittels und folglich zu einer Entformung der Faserelemente in die Grundform führt. Beispielsweise können die Faserelemente nach Art von Sicherheitsnadeln geformt sein, deren Verschluss etwa aus einem aus einem Kunststoff gebildeten Verschlussmittel besteht, welches unter chemisch-pysikalischer Wechselwirkung mit der Matrix oder durch Wärme geöffnet wird.
Vorzugsweise werden die Faserelemente zur Fixierung in der Zwischenform abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel umhüllt. Eine abschnittsweise Umhüllung kann beispielsweise ausreichend sein, wenn die Faserelemente in der Zwischenform eine im Wesentlichen planare Gestalt aulweisen, beispielsweise in Form eines Kringels oder einer Spirale, welche dann umfänglich durch ein Verschlussmittel nach Art eines Uhrenfederbandes zusammengehalten wird.
In weiterer vorteilhafter Ausführungsform können mehrere Faserelemente zu Gruppen angeordnet werden, wobei die Gruppen zur Fixierung der Faserelemente in der Zwischenform abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel umhüllt werden. Beispielsweise können in den Gruppen jeweils Faserelemente in der Zwischenform und Faserelemente in der Grundform angeordnet werden. Eine derartige Gruppierung von Faserelementen bietet insbesondere herstellungsseitige Vorteile. Bei einer Mischung von Faserelementen in der Zwischenform und solcher in der Grundform in den Gruppen führt die elastische Rückführung der verformten Faserelemente in die Grundform vorzugsweise auch zu einem Dispergieren der unverformten Faserelemente innerhalb der Matrix.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die Faserelemente einen Federstahl oder einen Kunststoff aufweisen, oder Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern umfassen. Naturfasern können beispielsweise Bambus oder Flachs umfassen. Die detaillierte Wahl des Werkstoffs der Faserelemente hängt sowohl von dem für die Matrix verwendeten Werkstoff ab, als auch von der beabsichtigten technischen Anwendung des Bauteils. Gegebenenfalls können auch geeignete Kombinationen von Faserelementen aus unterschiedlichen Werkstoffen zum Einsatz kommen. Vorzugsweise weist die Matrix des das Bauteil bildenden
Faserverbundwerkstoffs einen Mineralguss, einen Zement, einen Kunststoff, eine Keramik, ein Metall oder Lehm auf. Das erfindungsgemäße Bauteil kann somit beispielsweise ein tragendes Bauteil aus einem Beton darstellen oder aber eine spritzgegossene Komponente oder ein Extrusionsprofil beispielsweise aus einem „bulk molding compound“. Exotischere Faserverbundwerkstoffe sind beispielsweise aus Wolframoder Edelstahlfasern in Aluminium-Magnesium-Legierungen gebildet, oder als ökologischer Baustoff etwa mit Bambusfasern in Lehm. BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2a, 2b Ansichten einer Gruppe von fixierten Faserelementen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100. Darin bestehen die ersten Verfahrensschritte im Bereitstellen 101 einer Matrix 11 und im Bereitstellen 102 von Faserelementen 12, welche sich in der geometrischen Grundform 12a befinden, im vorliegenden Fall in einer Stäbchenform. Die Matrix 11 wird hier beispielhaft durch einen Mineralguss gebildet, d.h. durch eine Mischung aus einem Zement mit einer Gesteinskörnung sowie beispielsweise noch weiteren Zuschlagsstoffen. Die Faserelemente 12 weisen vorzugsweise einen elastischen Federstahl auf und haben beispielsweise eine Längserstreckung von einigen Millimetern.
Der nächste Verfahrensschritt besteht im elastischen Verformen 103 von wenigstens einem Teil der Faserelemente 12 in eine Zwischenform 12b, welche hier beispielhaft als eine Kringelform ausgebildet ist. im Gegensatz zu den Faserelementen 12 in der Grundform 12a ist in dieser Zwischenform 12b ein Verhaken der Faserelemente 12 untereinander verhindert, sodass eine Igelbildung unter Agglomeration einer Vielzahl von Faserelementen 12 effektiv verhindert ist.
Zum anschließenden Fixieren 104 der Faserelemente 12 in der Zwischenform 12b kommt das Verschlussmittel 2 zum Einsatz, welches im vorliegenden Beispiel als ein Klebstoff 21 ausgebildet ist, welcher die Faserelemente 12 randseitig entlang des Außenumfangs umhüllt und somit in der Zwischenform 12b fixiert wird. Alternativ könnte das Verschlussmittel unter Verwendung eines Klebstoffe auch durch eine Klebestelle zwischen den zueinander gebogenen Enden der Faserelemente 12 ausgebildet sein, oder ein Einschluss der Faserelemente 12 in einem verfestigten Tropfen aus einem Kunststoff, einem Harz oder Wachs.
Der nächste Verfahrensschritt besteht im Einbringen 105 der fixierten Faserelemente 12 in die Matrix 11 unter Bildung des Faser-Matrix- Gemenges 10. Dieses Faser-Matrix-Gemenge 10 ist aufgrund der kompakten Zwischenform 12b der Faserelemente 12 mit für die weitere Verarbeitung geeigneten Theologischen Eigenschaften versehen, insbesondere weist der daraus unter Wasserzugabe gebildete Frischbeton eine gute Vergießbarkeit auf.
Das Ausbringen 106 des Faser-Matrix-Gemenges 10, d.h. des Frischbetons, in eine Form des Bauteils erfolgt somit ohne störende Igelbildung durch Agglomeration der Faserelemente 12. Unter chemischer Wechselwirkung mit der Matrix 11 , beispielsweise Solvatisierung oder einer Säure-Base-Reaktion, kommt es während der Reaktionsdauer t zu einer Zersetzung des Klebstoffs 21 und somit zu einer Schwächung bzw. vollständigen Aufhebung der auf die verformten Faserelemente 12 ausgeübten Fixierwirkung. Dieser Zersetzungsvorgang wird zusätzlich oder alternativ noch durch die Erwärmung Q beeinflusst, welche beispielsweise aus der bei der Hydratation des Zements freiwerdenden Reaktionswärme stammen kann oder aber gegebenenfalls auch durch eine gezielte Erwärmung des Bauteils mittels technischer Hilfsmittel. In Folge der Abschwächung bzw. der Aufhebung der Fixierwirkung des sich zersetzenden Verschlussmittels 2 kehren die Faserelemente 12 unter Entlastung, d.h. unter Freisetzung der gespeicherten elastischen Verformungsenergie, von der Zwischenform 12b in die ursprüngliche Grundform 12a zurück.
Es folgt somit der Erhalt 107 des Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff 1 , in welchem die Faserelemente 12 in der funktionalen Grundform 12a, d.h. in länglicher Erstreckung zur Aufnahme von Zugbelastungen, in der Matrix 11 homogen verteilt vorliegen.
Die Fig. 2a und 2b zeigen Ansichten einer Gruppe 13 von Faserelementen 12, welche durch ein gemeinsames Verschlussmittel 2 fixiert sind. Die Fig. 2a zeigt eine Draufsicht und die Fig. 2b eine Seitenansicht als perspektivische Schnittdarstellung.
Die Gruppe 13 umfasst einen Stapel von mehreren Faserelementen 12 in der Zwischenform 12b, in welcher die Faserelemente 12 die Form einer ebenen Spirale aufweisen. Darin sind weitere Faserelemente 12 in der stabförmigen Grundform 12a angeordnet. Die Gruppe 13 wird fixiert durch das Verschlussmittel 2 in Form eines Papiers 22, welches die Gruppe 13 vollumfänglich umhüllt. Alternativ könnte hier beispielsweise eine polymerbasierte Folie als ein die Gruppe 13 umhüllendes Verschlussmittel angewendet werden.
Nach dem Einbringen der Gruppe 13 in eine Matrix besteht die chemischphysikalische Wechselwirkung insbesondere darin, dass das Papier 22 unter Aufnahme von Flüssigkeit, beispielsweise von Wasser aus einem Frischbeton, aufquillt und nach Ablauf der Reaktionszeit seine Fixierwirkung verliert. Dann gehen die übereinander gestapelten Faserelemente 12 aus der Zwischenform 12b unter Entlastung in die stabförmige Grundform 12a über. Dabei werden die in dem Stapel angeordneten Faserelemente 12, welche in der Gruppe 13 bereits in der Grundform 12a Vorlagen, von den sich entlastenden Faserelementen 12 mitgeführt und in der umgebenden Matrix verteilt, so dass der Faserverbundwerkstoff nach Ablauf der Reaktionszeit ein Gefüge mit dispergierten Faserelementen 12 in der Grundform 12a aufweist.
Bezugszeichenliste:
100 Verfahren
1 Faserverbundwerkstoff
10 Faser-Matrix-Gemenge
11 Matrix
12 Faserelement
12a Grundform
12b Zwischenform
13 Gruppe
2 Verschlussmittel
21 Klebstoff
22 Papier
101 Bereitstellen der Matrix
102 Bereitstellen der Faserelemente
103 Verformen der Faserelemente
104 Fixieren der Faserelemente
105 Einbringen der Faserelemente
106 Ausbringen des Faser-Matrix-Gemenges
107 Erhalt des Faserverbundwerkstoffs t Reaktionsdauer
Q Erwärmung

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren (100) zur Herstellung eines Bauteils aus einem
Faserverbundwerkstoff (1) wenigstens umfassend die folgenden
Schritte:
- Bereitstellen (101) einer Matrix (11) des Faserverbundwerkstoffs
(1).
- Bereitstellen (102) von Faserelementen (12), wobei sich die Faserelemente (12) jeweils in einer geometrischen Grundform (12a) befinden,
- elastisches Verformen (103) von wenigstens einem Teil der Faserelemente (12) in eine Zwischenform (12b), in welcher ein Verhaken der Faserelemente (12) miteinander verhindert ist und/oder in welcher die Faserelemente (12) eine kompaktere Gestalt als in der Grundform (12a) aufweisen,
- Fixieren (104) der Faserelemente (12) in der Zwischenform (12b) mittels eines Verschlussmittels (2),
- Einbringen (105) der Faserelemente (12) in die Matrix (11 ) zur Bildung eines Faser-Matrix-Gemenges (10),
- Ausbringen (106) des Faser-Matrix-Gemenges (10) in eine Form des Bauteils, und
- Erhalt (107) des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff (1) nach Ablauf einer Reaktionsdauer (t), während welcher die Fixierwirkung des Verschlussmittels (2) aufgrund einer chemischphysikalischen Wechselwirkung des Verschlussmittels (2) mit der Matrix (11) und/oder aufgrund einer Erwärmung (Q) des Verschlussmittels (2) aufgehoben wird, so dass die verformten Faserelemente (12) unter Entlastung von der Zwischenform (12b) in die Grundform (12a) zurückgeführt werden.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Zwischenform (12b) die einzelnen Faserelemente (12) in eine kompaktierte Form, eine Kringelform, eine Spiralform, eine Knäulform oder eine Wickelform verformt werden.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dad urch gekennzeichnet, dass das Fixieren (104) der Faserelemente (12) in der Zwischenform (12b) mittels des Verschlussmittels (2) unter Bildung einer
Klebeverbindung oder eines Formschlusses vollzogen wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (2) mit einem Klebstoff (21) gebildet wird.
5. Verfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (2) mit einem Klebstoff (21) gebildet wird, welcher während der Reaktionsdauer (t) aufgrund einer Solvatisierung oder einer Säure-Base-Reaktion und/oder einer Erwärmung (Q) aufgelöst wird.
6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (2) mit einem Kunststoff, einem Papier (22), einem Klebeband, einem Wachs oder einem Harz gebildet wird.
7. Verfahren (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die Faserelemente (12) zur Fixierung in der Zwischenform (12b) abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel (2) umhüllt werden.
8. Verfahren (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Faserelemente (12) zu Gruppen (13) angeordnet werden, wobei die Gruppen (13) zur Fixierung der Faserelemente (12) in der Zwischenform (12b) abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel (2) umhüllt werden.
9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gruppen (13) jeweils Faserelemente (12) in der Zwischenform (12b) und Faserelemente (12) in der Grundform (12a) angeordnet werden.
10. Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff (1 ), hergestellt mit einem Verfahren (100) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserelemente (12) einen Federstahl oder einen Kunststoff aufweisen, oder Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern umfassen.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dad urch gekennzeichnet, dass die Matrix (11) einen Mineralguss, einen Zement, einen
Kunststoff, eine Keramik, ein Metall oder Lehm aufweist.
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