WO2024074635A1 - Fibre-reinforced and recyclable structure component and method for providing same - Google Patents

Fibre-reinforced and recyclable structure component and method for providing same Download PDF

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WO2024074635A1
WO2024074635A1 PCT/EP2023/077619 EP2023077619W WO2024074635A1 WO 2024074635 A1 WO2024074635 A1 WO 2024074635A1 EP 2023077619 W EP2023077619 W EP 2023077619W WO 2024074635 A1 WO2024074635 A1 WO 2024074635A1
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fiber bundle
structural component
matrix
section
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Bosse ROTHE
Moritz Jonathan REINERS
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Definitions

  • the invention relates to a fiber-reinforced and recyclable structural component and a method for providing a fiber-reinforced and recyclable structural component.
  • a use of a corresponding structural component for providing a recyclable component for a bicycle is specified.
  • the invention can advantageously be used to produce fiber-plastic composites more sustainably and, in particular, to recycle them better.
  • a fiber-plastic composite (FRP for short; also fiber-reinforced plastic or fiber-reinforced plastic, FRP for short) is a material that contains reinforcing fibers and a plastic matrix. The matrix surrounds the fibers, which are bonded to the matrix by adhesive interactions. Due to the use of fiber materials, fiber-plastic composites generally have a direction-dependent elastic behavior. Without a matrix material, the high specific strengths and stiffnesses of the reinforcing fibers are usually not usable. A new construction material is only created by the appropriate combination of fiber and matrix material. A combination suitable for many areas of application is resin-bonded fiber composite materials.
  • the best-known fiber composite plastics are glass fiber reinforced plastic (GFRP for short) and carbon fiber reinforced plastic (CFRP for short). Fiber-plastic composites generally have high specific stiffnesses and strengths. This makes them suitable materials in lightweight construction applications. Fiber-plastic composites are mainly used to produce flat structures.
  • a disadvantage of most known fiber-plastic composites is that they cannot be recycled, and in particular not easily. Many fiber-plastic composites cannot be recycled at all and can only be disposed of after use.
  • the recycling methods known to date mostly rely on shredding fiber-plastic composites or components made from them, such as mechanical shredding, in order to then thermally recycle the resulting fiber-plastic composite residues.
  • the matrix is pyrolyzed and the shredded fibers can be consolidated into a random fiber mat in an additional process step.
  • the main disadvantage of this process is that the recycled material experiences a significant loss of mechanical properties and thus cannot be used again for the original or a similar application.
  • This downcycling means that only newly produced fibers can be used, particularly for structural, highly stressed components.
  • the fibers are always significantly shorter than the fibers originally used to manufacture the recycled component. Due to the high resource intensity that the new production of the raw material entails, reuse of the fibers and the matrix should be sought.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a structural component and a method for its production are to be specified which contribute to increasing the sustainability and/or recyclability of fiber-reinforced components.
  • the waste during the production of fiber-reinforced components is to be minimized.
  • a further aim can be to increase the production speed in the production of recyclable fiber-reinforced components.
  • an object can be seen in increasing the mechanical performance of fiber-reinforced components.
  • a fibre-reinforced and recyclable structural component contributes to this, comprising:
  • the resin system comprises at least one polymer material for the matrix, wherein the resin system is designed such that it allows depolymerization of the polymer material after curing of the resin system, in particular in order to be able to remove the continuous fiber bundle from the structural component again.
  • the fiber system can be formed in the manner of a textile semi-finished product provided for reinforcing the component.
  • the fiber system can comprise a continuous fiber bundle or several continuous fiber bundles.
  • the fiber bundles can be formed in particular in the form of rovings.
  • the rovings can be formed, for example, from a large number of individual fibers or monofilaments or threads that have been created by twisting individual fibers or fiber bundles.
  • the fibers can be, for example, glass fibers, carbon fibers, polymer fibers or natural fibers.
  • the fibers are preferably carbon fibers.
  • the continuous fiber bundle can therefore preferably be a continuous carbon fiber bundle.
  • the fiber-reinforced components are, for example, carbon fiber-reinforced components.
  • other fiber types such as flax or aramid fibers, can also be considered.
  • the textile semi-finished products used to reinforce the materials are in particular fiber bundles in the form of rovings made of continuous fiber strands that are not cut off within the component.
  • this process can be used to produce fiber-reinforced components that have a component size of at least 5x5x10 cm [centimeters] and a thickness of at least 2 fiber layers. This results in a minimum total fiber length per component of 8 m [meters] with an exemplary fiber spacing of 2.5 mm [millimeters].
  • continuous fiber or “continuous fiber bundle” is not to be understood as meaning that the fibers have an infinite length or are actually endless. Rather, there is always a certain limitation to the length of the fiber due to the size of the component, such as in the example given above a total fiber length of 8 m [meters] in a component of 5x5x10 cm [centimeters].
  • continuous fiber or “continuous fiber bundle” is to be understood as meaning that understand that the fiber bundles in the component are arranged and designed in such a way that the component has the longest possible fiber lengths, which can later be recovered non-destructively (without affecting the fiber) in a recycling process.
  • the continuous fiber bundle has a first section and a second section, wherein the first section and the second section are connected via the deflection or (in the case of several deflections) via one of the deflections.
  • the first section and the second section can in particular be arranged straight.
  • the first section and the second section can be aligned at an angle or parallel to one another. It is preferred if the first section and the second section are aligned substantially parallel to one another.
  • the first section and the second section can be arranged specifically along load paths that run at an angle to one another, wherein the first section and the second section can be aligned at an angle to one another.
  • the continuous fiber bundle has a change in direction of the continuous fiber bundle in the area of the one or more deflections.
  • the continuous fiber bundle can have a deflection angle in the area of the deflection.
  • the deflection angle of at least one of the deflections can preferably be greater than 90° (particularly preferably greater than 135°) and/or less than 270° (particularly preferably less than 225°).
  • the matrix is formed as a solid material between the first section and the second section.
  • the matrix has no cavity in the area between the first section and the second section. This further improves stability. With this design, since there is no cavity between the first and second sections, no goods to be stored can be introduced into a cavity at this point.
  • components can also have a different geometric nature.
  • components can also have flat or hollow cross-sections as well as bionic structures or bionic supporting structures.
  • Continuous fiber bundles can be arranged in the component in such a way that the fiber directions in the continuous fiber bundles are adapted to the respective shape of the component.
  • components can have integrated interfaces to other components.
  • so-called inserts can be integrated into the components, which enable connection to other components.
  • Such insert components can, for example, be metal components that are integrated into the matrix of the component and which, for example,
  • Continuous fiber bundles are preferably arranged in the component in such a way that the transfer of forces from the insert components to the continuous fiber bundles is promoted.
  • insert components can be arranged between individual strands of continuous fiber bundles.
  • the invention focuses exclusively on resin systems that allow depolymerization after the component has hardened in order to be able to completely separate the fibers from the matrix in the recycling process.
  • Depolymerization can be achieved, for example, by thermally or chemically splitting or dissolving the polymer material into shorter polymers or monomers. This makes the polymer material liquid or at least plastically deformable to such an extent that the continuous fibers of the continuous fiber bundles can be removed from the polymer material without destroying the fibers.
  • One or more of the following systems can be used as a resin system or matrix system:
  • thermosets such as epoxy resins
  • vitrimers which have particular advantages as a resin system or matrix system for the component described here.
  • Vitrimers are a class of plastics derived from classic thermosets and have strong similarities to them. They are made up of covalent networks that can change their topology through thermally activated bond exchange reactions. Vitrimers are strong glass formers. At high temperatures they flow and behave like a viscoelastic fluid. At low temperatures the exchange reactions are immeasurably slow (“frozen”) and the vitrimers behave like classic thermosets. Due to the fact that vitrimers behave like liquids at high temperatures, they are particularly suitable for the components described here. Continuous fibers or continuous fiber bundles can be recycled particularly well from a matrix material.
  • Matrix materials which, for example, change from a solid phase to a liquid or highly viscous phase at a limit temperature above 80°C are preferred.
  • a matrix material is particularly preferred which only undergoes a transition to the liquid or highly viscous phase after a certain period of time in which the limit temperature acts on the matrix material (“exposure time”). It is also advantageous if additional properties and/or influences must be added in order to cause the matrix to dissolve. These are particularly preferred influences which do not act on the component under normal conditions of use of the component in order to avoid undesirable dissolution of the matrix. This can include, for example, the effect of a mild acid in combination with the introduction of heat, for example acetic acid.
  • matrix materials are, for example, vitrimer resins. Such materials are an intermediate stage between thermosets and thermoplastics and can be dissolved, for example, under the influence of diethylenetriamine or propylamine at 60 °C to 100 °C.
  • the patented process enables fiber-reinforced components to be manufactured without creating fiber waste when cutting and trimming the component, or when inserting openings in the semi-finished fiber product or hardened component.
  • no further processing takes place in the described component that could cause fibers of the continuous fiber bundles arranged in the component to be severed.
  • no material-removing processing steps are carried out that affect areas of the component in which the continuous fiber bundles are located.
  • inserts can be incorporated into the fiber semi-finished product in a way that is appropriate for the fibers, and thus a subsequent breakthrough through mechanical processing is no longer necessary.
  • their effect on the recovery of the fibers from the continuous fiber bundles is particularly preferably taken into account.
  • inserts and continuous fiber bundles are preferably aligned with one another in the component in such a way that, on the one hand, force can be transmitted from the inserts to the continuous fiber bundles and vice versa as desired, and, on the other hand, the inserts do not hinder the removal of continuous fibers.
  • inserts and continuous fiber bundles are, for example, incorporated into the matrix material in such a way that inserts can be removed after the matrix has dissolved without disturbing the position of the fibers, so that the continuous fibers can be removed after the inserts have been removed.
  • continuous fibers and inserts are, for example, introduced into the matrix material in such a way that, after the matrix has been dissolved, continuous fiber bundles can be removed without the continuous fibers colliding with the inserts or being blocked by the inserts.
  • the invention can advantageously contribute to increasing the production speed in the manufacture of recyclable fiber-reinforced components.
  • a manufacturing method designed for automated production that minimizes manual intervention and eliminates essential process steps such as cutting the fibers, trimming the semi-finished product and the finished component can achieve significant savings in process time.
  • the use of the continuous fiber bundles described here can therefore be used in an optimized overall process. Savings in process time can partially compensate for additional costs that arise from the use of continuous fiber bundles.
  • a further aspect of the invention is the realization of fiber orientations and courses that are specifically adapted to the component and non-linear fiber arrangements through the manufacturing process with uncut fibers.
  • the free manipulation of the fibers enables optimized, fiber-appropriate load introduction and distribution. This can advantageously contribute to increasing the mechanical performance of fiber-reinforced components.
  • the polymer material is such that after curing of the resin system it can be thermally and/or chemically dissolved into at least one monomer or shorter polymers.
  • the continuous fiber bundle has a length of at least 5 m, preferably a length in the range of 5 m to 10,000 m.
  • the continuous fiber bundle runs with one or more deflections and/or with one or more turns in the structural component.
  • a method for providing a fiber-reinforced and recyclable structural component comprising at least the following steps: a) providing a continuous fiber bundle, b) arranging and/or aligning the continuous fiber bundle, c) Surrounding the arranged and/or aligned continuous fiber bundle with a polymer material to form a matrix for holding the continuous fiber bundle, wherein the polymer material is provided in such a way that it can be thermally and/or chemically broken down into shorter polymers or monomers and thus completely separated from the fiber bundle.
  • steps a), b) and c) can be carried out, for example, at least once and/or repeatedly in the order given. Furthermore, steps a), b) and c), in particular steps a) and b), can be carried out at least partially in parallel or simultaneously.
  • the method is carried out to produce a structural component described here.
  • the method can be carried out to produce a structural component described here.
  • the method further comprises the following steps: d) thermal and/or chemical dissolution of the matrix, e) removal and/or collection of the continuous fiber bundle.
  • a use of a structural component described here for providing a recyclable component for a bicycle is specified.
  • Fig. 1 an example of a structure of a structural component described here.
  • Fig. 2 an exemplary sequence of a method described here.
  • Fig. 3 an example of an embodiment of an aspect of the method.
  • Fig. 4 an example of another embodiment of an aspect of the method.
  • Fig. 5 an example of an embodiment of another aspect of the
  • Fig. 6 an example of an embodiment of another aspect of the
  • Fig. 1 shows schematically an example of a structure of a fiber-reinforced and recyclable structural component 1 described here.
  • the structural component 1 has a resin system that forms a matrix 2, as well as a fiber system 3 with a continuous fiber bundle 4 held in the matrix 2.
  • the arrangement and/or orientation of the continuous fiber bundle 4 helps to define at least part of the shape 5 of the structural component 1.
  • the resin system comprises at least one polymer material 6 for the matrix 2.
  • the resin system is designed in such a way that it allows depolymerization of the polymer material 6 after the resin system has hardened. This advantageously contributes to the continuous fiber bundle 4 being able to be removed from the structural component 1 and, if necessary, reused or recycled.
  • the polymer material 6 can be designed in such a way that after curing of the resin system, shorter polymers or monomers dissolve thermally and/or chemically and can thus be completely separated from the fiber bundle.
  • the continuous fiber bundle 4 can have a length of at least 5 m.
  • the continuous fiber bundle 4 can have a length in the range of 5 m to 10,000 m.
  • the continuous fiber bundle 4 can run with one or more deflections 7 and/or with one or more turns in the structural component 1 or can be arranged and/or aligned accordingly.
  • the continuous fiber bundle 4 has first sections 19 and second sections 20, which are each connected via a deflection 7, 7'.
  • the deflections 7, 7' can be obtained by arranging and/or aligning the continuous fiber bundle 4 with one or more deflections 7, 7' of the continuous fiber bundle.
  • the deflections 7, 7' can be formed with the deflection rollers 14 described below.
  • the first section 19 and the second section 20 are arranged straight.
  • the first and second sections 19, 20 connected via the deflection 7 are aligned parallel to one another.
  • the continuous fiber bundle 4 has a change in direction of the continuous fiber bundle 4 in the area of the deflection 7, 7'.
  • the continuous fiber bundle 4 has a deflection angle in the area of the deflection 7, 7'.
  • the deflection angle of the deflection 7 is 180° in the embodiment shown.
  • the continuous fiber bundle comprises a further deflection 7', wherein the deflection angle of the deflection 7' is less than 180°.
  • the matrix 2 is formed as a solid material.
  • the matrix 2 has no cavity in the area between the first section 19 and the second section 20.
  • the structural component has a U-shaped form 5.
  • the fiber system 3 in the polymer component is formed by a continuous fiber bundle 4, which is continuous and embedded in a polymer material as a matrix. Sections of the same continuous fiber bundle 5 extend through both legs of the U-shape 5.
  • the continuous fiber bundle 5 has individual strands, each of which is connected to one another by deflections 7. In order to be able to extend into the two legs of the U-shape, the continuous fiber bundle 5 is folded out at a central position. This arrangement allows the continuous fiber bundle to be efficiently set up so that it is adapted to the U-shape.
  • Fig. 2 shows an example of a process described here. The process steps a), b), c) and possibly also d) and e) can be seen, which are carried out one after the other.
  • the method serves to provide a fiber-reinforced and recyclable structural component 1.
  • the sequence of steps a), b) and c) shown in blocks 110, 120 and 130 is exemplary and can be used, for example, in a regular sequence of the method.
  • a continuous fiber bundle 4 is provided.
  • the continuous fiber bundle 4 is arranged and/or aligned.
  • the arranged and/or aligned continuous fiber bundle 4 is surrounded with a polymer material 6 to form a matrix 2 for holding the continuous fiber bundle 4, wherein the polymer material 6 is provided in such a way that it can be thermally and/or chemically dissolved into at least one monomer and/or shorter polymers.
  • the method can be carried out, for example, to produce the structural component 1 shown in Fig. 1.
  • the matrix 2 can be thermally and/or chemically dissolved.
  • the continuous fiber bundle 4 can be removed and/or picked up.
  • Fig. 3 shows schematically an example of an embodiment of an aspect of the method.
  • Fig. 3 shows a machine 10 for forming the fiber system 3.
  • the view of the machine 10 is from above in Fig. 3a and from the side in Fig. 3b.
  • the fiber system 3 is clamped by a frame 11 with two frame segments 13.
  • the frame segments 13 are moved apart in a clamping direction 18.
  • the deflection rollers 14 which are held on the frame segments 13, several deflection areas 7 are formed in the arrangement and orientation of the continuous fiber bundle 4.
  • several partial areas 9, 9' and 9" of the continuous fiber bundle 4 can be arranged one above the other.
  • ⁇ layers 8 with a continuous fiber bundle 4 or a partial area 9 of the continuous fiber bundle 4 can be arranged one above the other.
  • the continuous fiber bundles 4 or partial areas 9 of the continuous fiber bundle 4 can be aligned differently to one another in layers 8 lying one above the other.
  • the subregions 9, 9’ and 9” can form three exemplary layers 8.
  • Fig. 4 shows schematically an example of a further embodiment of an aspect of the method.
  • a machine 10 for forming a fiber system 3 is shown, with which several layers 8 of a roving can be formed, in which the fibers are each aligned differently (here at a 90° angle to each other) and which nevertheless form a continuous fiber bundle 4.
  • the fibers are each aligned differently (here at a 90° angle to each other) and which nevertheless form a continuous fiber bundle 4.
  • a continuous continuous fiber bundle 4 runs on the deflection rollers 14 of all four frame segments 13, the partial areas 9 of which are each extended by tensioning in the tensioning direction 18, so that the continuous fiber bundle 4 is produced from a fiber feed roller.
  • Fig. 5 shows schematically an example of an embodiment of a further aspect of the method.
  • Fig. 5 shows a schematic example of an embodiment of a further aspect of the method.
  • Fig. 6 shows the closed mold with lower part 15 and upper part 16.
  • resin inlets 17 are shown through which the polymer material 6 can be introduced.

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Abstract

The invention relates to a fibre-reinforced and recyclable structure component (1), having: - a resin system, which forms a matrix (2), - a fibre system (3) with a continuous fibre bundle (4) held in the matrix (2), wherein the arrangement and/or the orientation of the continuous fibre bundle (4) defines at least part of the shape of the structure component (1), wherein the resin system comprises at least one polymer material (6) for the matrix (2), wherein the resin system is configured such that it permits a de-polymerisation of the polymer material (6) after curing of the resin system, in particular so that the continuous fibre bundle (4) can be removed from the structure component (1) again.

Description

Patentanmeldung Patent application
Anmelder: Holy Technologies GmbH, 22547 Hamburg Applicant: Holy Technologies GmbH, 22547 Hamburg
Faserverstärktes und recycelbares Strukturbauteil sowie Verfahren zu dessen Bereitstellung Fiber-reinforced and recyclable structural component and process for its provision
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes und recycelbares Strukturbauteil sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines faserverstärkten und recycelbaren Strukturbauteils. Darüber hinaus wird eine Verwendung eines entsprechenden Strukturbauteils zur Bereitstellung eines recycelbaren Bauteils für ein Fahrrad angegeben. Die Erfindung kann vorteilhafterweise zur Anwendung kommen, um Faser-Kunststoff-Verbunde nachhaltiger herstellen und insbesondere besser recyceln zu können. The invention relates to a fiber-reinforced and recyclable structural component and a method for providing a fiber-reinforced and recyclable structural component. In addition, a use of a corresponding structural component for providing a recyclable component for a bicycle is specified. The invention can advantageously be used to produce fiber-plastic composites more sustainably and, in particular, to recycle them better.
Ein Faser-Kunststoff-Verbund (kurz: FKV; auch faserverstärkter Kunststoff oder Faserverbundkunststoff, kurz: FVK) ist ein Werkstoff, der Verstärkungsfasern und eine Kunststoffmatrix enthält. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch adhäsive Wechselwirkungen an die Matrix gebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen haben Faser-Kunststoff-Verbunde in der Regel ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten. Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser üblicherweise nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff. Eine für viele Anwendungsgebiete geeignete Kombination besteht in harzgebundenen Faserverbundwerkstoffen. Die bekanntesten Faserverbundkunststoffe sind glasfaserverstärkter Kunststoff (kurz: GFK) und kohlefaserverstärkter Kunststoff (kurz :L CFK). Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt. A fiber-plastic composite (FRP for short; also fiber-reinforced plastic or fiber-reinforced plastic, FRP for short) is a material that contains reinforcing fibers and a plastic matrix. The matrix surrounds the fibers, which are bonded to the matrix by adhesive interactions. Due to the use of fiber materials, fiber-plastic composites generally have a direction-dependent elastic behavior. Without a matrix material, the high specific strengths and stiffnesses of the reinforcing fibers are usually not usable. A new construction material is only created by the appropriate combination of fiber and matrix material. A combination suitable for many areas of application is resin-bonded fiber composite materials. The best-known fiber composite plastics are glass fiber reinforced plastic (GFRP for short) and carbon fiber reinforced plastic (CFRP for short). Fiber-plastic composites generally have high specific stiffnesses and strengths. This makes them suitable materials in lightweight construction applications. Fiber-plastic composites are mainly used to produce flat structures.
Ein Nachteil der meisten bekannten Faser-Kunststoff-Verbunde besteht darin, dass sie sich nicht und insbesondere nicht einfach recyceln lassen. Viele Faser-Kunststoff-Verbunde lassen sich gar nicht recyceln und können nach ihrer Verwendung nur entsorgt werden. Die bis dato bekannten Recyclingmethoden setzen meist darauf, Faser-Kunststoff-Verbunde bzw. daraus bestehende Bauteile insgesamt zu zerkleinern, wie etwa die mechanische Zerkleinerung, um die dabei entstehenden Faser-Kunststoff-Verbund-Reste im Anschluss thermisch zu recyclen. Bei diesem Prozess wird die Matrix unter Sauerstoffausschluss pyrolisiert und die zerkleinerten Fasern können in einem zusätzlichen Prozessschritt zu einer Wirrfasermatte konsolidiert werden. Der wesentliche Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, dass das recyclierte Material einen erheblichen Verlust der mechanischen Kennwerte erfährt und somit nicht für eine erneute Verwendung der ursprünglichen, oder einer ähnlichen Anwendung genutzt werden kann. Dieses downcycling führt dazu, dass insbesondere für strukturelle, hochbelastete Bauteile ausschließlich neu produzierte Fasern verwendet werden können. Bei üblichen Recyclingprozessen tritt immer eine erhebliche Verkürzung der Fasern gegenüber den für die Herstellung des recycelten Bauteils ursprünglich eingesetzten Fasern auf. Aufgrund der hohen Ressourcenintensität, die die Neuproduktion des Rohmaterials mit sich bringt, ist eine Wiederverwendung der Fasern als auch der Matrix anzustreben. A disadvantage of most known fiber-plastic composites is that they cannot be recycled, and in particular not easily. Many fiber-plastic composites cannot be recycled at all and can only be disposed of after use. The recycling methods known to date mostly rely on shredding fiber-plastic composites or components made from them, such as mechanical shredding, in order to then thermally recycle the resulting fiber-plastic composite residues. In this process, the matrix is pyrolyzed and the shredded fibers can be consolidated into a random fiber mat in an additional process step. The main disadvantage of this process is that the recycled material experiences a significant loss of mechanical properties and thus cannot be used again for the original or a similar application. This downcycling means that only newly produced fibers can be used, particularly for structural, highly stressed components. In conventional recycling processes, the fibers are always significantly shorter than the fibers originally used to manufacture the recycled component. Due to the high resource intensity that the new production of the raw material entails, reuse of the fibers and the matrix should be sought.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Strukturbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Fertigung angegeben werden, die dazu beitragen, die Nachhaltigkeit und/oder Recyclingfähigkeit von faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. Weiterhin soll insbesondere der Verschnitt bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen minimiert werden. Ein weiteres Bestreben kann darin bestehen, die Produktionsgeschwindigkeit bei der Herstellung von recyclingfähigen faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. Darüber hinaus kann eine Aufgabe darin gesehen werden, die mechanische Leistungsfähigkeit von faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. Based on this, the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, a structural component and a method for its production are to be specified which contribute to increasing the sustainability and/or recyclability of fiber-reinforced components. Furthermore, in particular, the waste during the production of fiber-reinforced components is to be minimized. A further aim can be to increase the production speed in the production of recyclable fiber-reinforced components. In addition, an object can be seen in increasing the mechanical performance of fiber-reinforced components.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden. These objects are achieved by the features of the respective independent patent claims. Further advantageous embodiments of the solution proposed here are specified in the dependent patent claims. It should be noted that the features listed individually in the dependent patent claims can be combined with one another in any technologically reasonable manner and define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the patent claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.
Hierzu trägt ein faserverstärktes und recycelbares Strukturbauteil bei, aufweisend: A fibre-reinforced and recyclable structural component contributes to this, comprising:
- ein Harzsystem, das eine Matrix bildet, - a resin system that forms a matrix,
- ein Fasersystem mit einem in der Matrix gehaltenen Endlosfaserbündel, wobei die Anordnung und/oder Ausrichtung des Endlosfaserbündels zumindest einen Teil der Form des Strukturbauteils definiert, wobei das Harzsystem mindestens einen Polymer-Werkstoff für die Matrix umfasst, wobei das Harzsystem so beschaffen ist, dass es eine De-Polymerisation des Polymer-Werkstoffs nach der Aushärtung des Harzsystems zulässt, insbesondere um das Endlosfaserbündel wieder aus dem Strukturbauteil entnehmen zu können. - a fiber system with a continuous fiber bundle held in the matrix, wherein the arrangement and/or orientation of the continuous fiber bundle defines at least part of the shape of the structural component, wherein the resin system comprises at least one polymer material for the matrix, wherein the resin system is designed such that it allows depolymerization of the polymer material after curing of the resin system, in particular in order to be able to remove the continuous fiber bundle from the structural component again.
Das Fasersystem kann in der Art eines zur Verstärkung des Bauteils bereitgestellten textilen Halbzeugs gebildet sein. Das Fasersystem kann ein Endlosfaserbündel oder mehrere Endlosfaserbündel umfassen. Die Faserbündel können insbesondere in Form von Rovings gebildet sein. Die Rovings können beispielsweise aus einer Vielzahl von Einzelfasern oder Monofilamenten oder Fäden, die durch Verzwirnung von Einzelfasern oder Faserbündeln entstanden sind, gebildet sein. Bei den Fasern kann es sich zum Beispiel um Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polymerfasern oder Naturfasern handeln. Bevorzugt sind die Fasern Kohlefasern. Somit kann es sich bei dem Endlosfaserbündel vorzugsweise um ein Endloskohlefaserbündel handeln. The fiber system can be formed in the manner of a textile semi-finished product provided for reinforcing the component. The fiber system can comprise a continuous fiber bundle or several continuous fiber bundles. The fiber bundles can be formed in particular in the form of rovings. The rovings can be formed, for example, from a large number of individual fibers or monofilaments or threads that have been created by twisting individual fibers or fiber bundles. The fibers can be, for example, glass fibers, carbon fibers, polymer fibers or natural fibers. The fibers are preferably carbon fibers. The continuous fiber bundle can therefore preferably be a continuous carbon fiber bundle.
Bei den faserverstärkten Bauteilen handelt es sich beispielsweise um kohlefaserverstärkte Bauteile. Neben kohlefaserverstärkten Bauteilen kommen auch andere Fasertypen, wie beispielsweise Flachs- oder Aramidfasern, in Betracht. Die zur Verstärkung der Materialien verwendeten textilen Halbzeuge sind insbesondere Faserbündel in Form von Rovings aus durchgehenden, innerhalb des Bauteils nicht abgeschnittenen Fasersträngen. The fiber-reinforced components are, for example, carbon fiber-reinforced components. In addition to carbon fiber-reinforced components, other fiber types, such as flax or aramid fibers, can also be considered. The textile semi-finished products used to reinforce the materials are in particular fiber bundles in the form of rovings made of continuous fiber strands that are not cut off within the component.
Um eine Wiederverwertung von kürzeren Fasern in größeren Bauteilen zu gewährleisten, ist eine Fügung von einer Vielzahl von Fasersträngen in Längsrichtung vorgesehen. Eine insgesamte Stückzahl von 20 Fasersträngen pro Bauteil sollte nicht überstiegen werden. In order to ensure that shorter fibers can be recycled in larger components, a large number of fiber strands are joined in the longitudinal direction. A total of 20 fiber strands per component should not be exceeded.
Im Sinne eines ökologisch und ökonomischen Grenznutzens, können durch dieses Verfahren faserverstärkte Bauteile hergestellt werden, die eine Bauteilgröße von mindestens 5x5x10 cm [Zentimeter] und einer Stärke von mindestens 2 Faserlagen aufweisen. Daraus ergibt sich bei einem beispielhaften Faserabstand von 2.5mm [Millimeter] eine minimale Gesamtfaserlänge pro Bauteil von 8 m [Meter], In terms of ecological and economic marginal benefit, this process can be used to produce fiber-reinforced components that have a component size of at least 5x5x10 cm [centimeters] and a thickness of at least 2 fiber layers. This results in a minimum total fiber length per component of 8 m [meters] with an exemplary fiber spacing of 2.5 mm [millimeters].
Der Begriff „Endlosfaser“ bzw. „Endlosfaserbündel“ ist nicht so zu verstehen, dass die Fasern eine unendliche Länge haben bzw. tatsächlich endlos sind. Vielmehr ist aufgrund der Bauteilgröße immer eine gewisse Längenbegrenzung der Faser vorhanden, wie in dem oben angegebenen Beispiel eine Gesamtfaserlänge von 8 m [Meter] in einem Bauteil von 5x5x10 cm [Zentimeter], Der Begriff „Endlosfaser“ bzw. „Endlosfaserbündel“ ist vielmehr so zu verstehen, dass die Faserbündel in dem Bauteil so angeordnet und ausgeführt sind, dass möglichst große Faserlängen in dem Bauteil vorhanden sind, die später in einem Recyclingprozess zerstörungsfrei (ohne Beeinträchtigung der Faser) zurückgewonnen werden können. Es ist nicht erforderlich, dass in einem Bauteil nur eine durchgängige Faser ist, damit dies als Endlosfaser gilt, obwohl eine solche Ausführung grundsätzlich wünschenswert wäre. Vielmehr ist erforderlich, dass die Gestaltung der Faseranordnung im Bauteil so optimiert ist, dass grundsätzlich möglichst lange und für ein finanziell attraktives Recycling geeignete Fasern im Bauteil angeordnet sind. Insbesondere sind unnötige Unterbrechungen von Fasern in Fasern in Endlosfasern bzw.in Endlosfaserbündeln vermieden oder verhindert. Bevorzugt existieren in dem Bauteil eine Vielzahl von Umlenkungen von durchgängigen Fasern, die es ermöglichen, verhältnismäßig lange Fasern in dem Bauteil anzuordnen, die in diesem Sinne als Endlosfasern bzw. als Endlosfaserbündel verstanden werden können. The term “continuous fiber” or “continuous fiber bundle” is not to be understood as meaning that the fibers have an infinite length or are actually endless. Rather, there is always a certain limitation to the length of the fiber due to the size of the component, such as in the example given above a total fiber length of 8 m [meters] in a component of 5x5x10 cm [centimeters]. The term “continuous fiber” or “continuous fiber bundle” is to be understood as meaning that understand that the fiber bundles in the component are arranged and designed in such a way that the component has the longest possible fiber lengths, which can later be recovered non-destructively (without affecting the fiber) in a recycling process. It is not necessary for there to be only one continuous fiber in a component for it to be considered a continuous fiber, although such an embodiment would be desirable in principle. Rather, it is necessary that the design of the fiber arrangement in the component is optimized in such a way that the fibers arranged in the component are as long as possible and suitable for financially attractive recycling. In particular, unnecessary interruptions of fibers in fibers in continuous fibers or in continuous fiber bundles are avoided or prevented. Preferably, there are a large number of deflections of continuous fibers in the component, which make it possible to arrange relatively long fibers in the component, which in this sense can be understood as continuous fibers or as continuous fiber bundles.
In besonders vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das Endlosfaserbündel einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über die Umlenkung bzw. (im Falle mehrerer Umlenkungen) über eine der Umlenkungen verbunden sind. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können insbesondere gerade angeordnet sein. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können winkelig oder parallel zueinander ausgerichtet sein. Dabei ist bevorzugt, wenn der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können gezielt entlang von winkelig zueinander verlaufenden Lastpfaden angeordnet sein, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt winkelig zueinander ausgerichtet sein können. In a particularly advantageous manner, it can be provided that the continuous fiber bundle has a first section and a second section, wherein the first section and the second section are connected via the deflection or (in the case of several deflections) via one of the deflections. The first section and the second section can in particular be arranged straight. The first section and the second section can be aligned at an angle or parallel to one another. It is preferred if the first section and the second section are aligned substantially parallel to one another. The first section and the second section can be arranged specifically along load paths that run at an angle to one another, wherein the first section and the second section can be aligned at an angle to one another.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Endlosfaserbündel im Bereich der einen oder mehreren Umlenkungen jeweils eine Richtungsänderung des Endlosfaserbündels aufweist. Dazu kann das Endlosfaserbündel im Bereich der Umlenkung jeweils einen Umlenkwinkel aufweisen. Der Umlenkwinkel wenigstens einer der Umlenkungen kann vorzugsweise größer als 90° (besonders bevorzugt größer als 135°) und/oder kleiner als 270° (besonders bevorzugt kleiner als 225°) sein. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, wenn mehrere der Umlenkungen und besonders bevorzugt alle Umlenkungen einen Umlenkwinkel größer als 90°, besonders bevorzugt größer als 135°, und/oder kleiner als 270°, besonders bevorzugt kleiner als 225° aufweisen. In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt die Matrix als Vollmaterial ausgebildet ist. Dabei weist die Matrix in dem Bereich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt keinen Hohlraum auf. Damit wird die Stabilität weiter verbessert. Bei dieser Ausgestaltung kann, da kein Hohlraum zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt vorhanden ist, an dieser Stelle kein zu lagerndes Gut in einen Hohlraum eingebracht werden. According to the invention, it can be provided that the continuous fiber bundle has a change in direction of the continuous fiber bundle in the area of the one or more deflections. For this purpose, the continuous fiber bundle can have a deflection angle in the area of the deflection. The deflection angle of at least one of the deflections can preferably be greater than 90° (particularly preferably greater than 135°) and/or less than 270° (particularly preferably less than 225°). According to the invention, it is preferred if several of the deflections and particularly preferably all of the deflections have a deflection angle greater than 90°, particularly preferably greater than 135°, and/or less than 270°, particularly preferably less than 225°. Advantageously, it can be provided that the matrix is formed as a solid material between the first section and the second section. The matrix has no cavity in the area between the first section and the second section. This further improves stability. With this design, since there is no cavity between the first and second sections, no goods to be stored can be introduced into a cavity at this point.
Häufig handelt es sich um flächige Bauteile mit zwei- oder dreidimensionalen Krümmungen mit gegebenenfalls individuell angepassten, und innerhalb des Bauteils sich verändernden, Faserrichtungen. Bauteile können auch eine andere geometrische Beschaffenheit aufweisen. Beispielsweise können Bauteile auch flache oder hohle Querschnitte sowie bionische Strukturen oder bionische Tragwerke umfassen. Endlosfaserbündel können so in dem Bauteil angeordnet sein, dass die Faserrichtungen in den Endlosfaserbündeln an die jeweilige Form des Bauteils angepasst sind. Darüber hinaus ist es möglich, dass Bauteile eine Integration von Schnittstellen zu weiteren Bauteilen aufweisen. Beispielsweise können sogenannte Einlagebauteile („Inserts“) in die Bauteile integriert sein, die die Anbindung an weitere Komponenten ermöglichen. Solche Einlagebauteile können beispielsweise Metallbauteile sein, die in die Matrix des Bauteils integriert sind und die bspw. These are often flat components with two- or three-dimensional curvatures with, if necessary, individually adapted fiber directions that change within the component. Components can also have a different geometric nature. For example, components can also have flat or hollow cross-sections as well as bionic structures or bionic supporting structures. Continuous fiber bundles can be arranged in the component in such a way that the fiber directions in the continuous fiber bundles are adapted to the respective shape of the component. In addition, components can have integrated interfaces to other components. For example, so-called inserts can be integrated into the components, which enable connection to other components. Such insert components can, for example, be metal components that are integrated into the matrix of the component and which, for example,
Verschraubungspunkte zur Anbindung an weitere Komponenten bereitstellen. Bevorzugt sind in dem Bauteil Endlosfaserbündel so angeordnet, dass eine Übertragung von Kräften von den Einlegebauteilen zu den Endlosfaserbündeln begünstigt wird. Insbesondere können Einlegebauteile zwischen einzelnen Strängen von Endlosfaserbündeln angeordnet sein. Provide screwing points for connection to other components. Continuous fiber bundles are preferably arranged in the component in such a way that the transfer of forces from the insert components to the continuous fiber bundles is promoted. In particular, insert components can be arranged between individual strands of continuous fiber bundles.
Um eine Recyclingfähigkeit zu gewährleisten, fokussiert sich die Erfindung ausschließlich auf Harzsysteme, die eine De-Polymerisation nach der Aushärtung des Bauteils zulassen, um die Fasern vollständig im Recycling-Prozess von der Matrix trennen zu können. Die De- Polymerisation kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sich der Polymer- Werkstoff thermisch oder chemisch in kürzere Polymere oder Monomere aufspalten bzw. auflösen lässt. Hierdurch wird der Polymerwerkstoff flüssig oder zumindest derart plastisch verformbar, dass die Endlosfasern der Endlosfaserbündel ohne Zerstörung der Fasern aus dem Polymerwerkstoff entnommen werden können. In order to ensure recyclability, the invention focuses exclusively on resin systems that allow depolymerization after the component has hardened in order to be able to completely separate the fibers from the matrix in the recycling process. Depolymerization can be achieved, for example, by thermally or chemically splitting or dissolving the polymer material into shorter polymers or monomers. This makes the polymer material liquid or at least plastically deformable to such an extent that the continuous fibers of the continuous fiber bundles can be removed from the polymer material without destroying the fibers.
Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, die Recyclingfähigkeit von faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. Insbesondere wird es ermöglicht Endlosfasern aus dem Werkstoff zu entnehmen. Als Harzsystem bzw. Matrixsystem kann beispielsweise eins oder mehrere der folgenden Systeme zur Anwendung kommen: This can advantageously contribute to increasing the recyclability of fiber-reinforced components. In particular, it makes it possible to remove continuous fibers from the material. One or more of the following systems can be used as a resin system or matrix system:
- Recyclingfähige Duroplaste wie Epoxidharze; - Recyclable thermosets such as epoxy resins;
- Thermoplaste; oder - Thermoplastics; or
- Vitrimere. - Vitrimers.
Hervorzuheben ist hier insbesondere die Gruppe der Vitrimere, die als Harzsystem bzw. das Matrixsystem für das hier beschriebene Bauteil besondere Vorteile aufweisen. Of particular note here is the group of vitrimers, which have particular advantages as a resin system or matrix system for the component described here.
Vitrimere sind eine Kunststoffklasse, die sich von klassischen Duromeren ableitet und starke Ähnlichkeiten mit ihnen besitzt. Sie sind aus kovalenten Netzwerken aufgebaut, die ihre Topologie durch thermisch aktivierte Bindungsaustauschreaktionen verändern können. Vitrimere sind starke Glasbildner. Bei hohen Temperaturen fließen sie und verhalten sich dabei wie eine viskoelastische Flüssigkeit. Bei niedrigen Temperaturen sind die Austauschreaktionen unmessbar langsam („eingefroren“) und die Vitrimere verhalten sich wie klassische Duromere. Aufgrund der Tatsache, dass Vitrimere bei hohen Temperaturen sich wie Flüssigkeiten verhalten, sind sie für die hier beschriebenen Bauteile besonders geeignet. Endlosfasern bzw. Endlosfaserbündel lassen sich aus einem Matrixwerkstoff besonders gut recyclen. Vitrimers are a class of plastics derived from classic thermosets and have strong similarities to them. They are made up of covalent networks that can change their topology through thermally activated bond exchange reactions. Vitrimers are strong glass formers. At high temperatures they flow and behave like a viscoelastic fluid. At low temperatures the exchange reactions are immeasurably slow ("frozen") and the vitrimers behave like classic thermosets. Due to the fact that vitrimers behave like liquids at high temperatures, they are particularly suitable for the components described here. Continuous fibers or continuous fiber bundles can be recycled particularly well from a matrix material.
Bevorzugt sind Matrixwerkstoffe, die beispielsweise bei einer Grenztemperatur oberhalb von 80°C von einer festen Phase in eine flüssige, bzw. stark viskose Phase übergehen. Matrix materials which, for example, change from a solid phase to a liquid or highly viscous phase at a limit temperature above 80°C are preferred.
Besonders bevorzugt ist ein Matrixwerkstoff, der erst nach einer gewissen Zeitspanne, die die Grenztemperatur auf den Matrixwerkstoff einwirkt („Einwirkzeit“) einen Übergang zu der flüssigen bzw. stark viskosen Phase durchläuft. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn weitere Eigenschaften und/oder Einwirkungen hinzukommen müssen, um ein Auflösen der Matrix zu bewirken. Besonders bevorzugt sind dies Einwirkungen, die unter normalen Verwendungsbedingungen des Bauteils nicht auf das Bauteil einwirken, um eine unerwünschte Auflösung der Matrix zu vermeiden. Dies kann beispielsweise die Einwirkung einer leichten Säure in Kombination mit einem Wärmeeintrags umfassen, beispielsweise einer Essigsäure. A matrix material is particularly preferred which only undergoes a transition to the liquid or highly viscous phase after a certain period of time in which the limit temperature acts on the matrix material (“exposure time”). It is also advantageous if additional properties and/or influences must be added in order to cause the matrix to dissolve. These are particularly preferred influences which do not act on the component under normal conditions of use of the component in order to avoid undesirable dissolution of the matrix. This can include, for example, the effect of a mild acid in combination with the introduction of heat, for example acetic acid.
Eine weitere bevorzugte Gruppe von Matrixwerkstoffen, sind beispielsweise Vitrimerharze. Solche Werkstoffe sind eine Zwischenstufe zwischen Duroplasten und Thermoplasten und lassen sich bspw. unter Einwirkung von Dieethylenetriamin oder Propylamin bei 60 °C bis 100 °C auflösen. Durch das patentierte Verfahren können faserverstärkte Bauteile hergestellt werden, ohne beim Zuschnitt und besäumen des Bauteils, als auch beim Einfügen von Durchbrüchen im Faserhalbzeug oder ausgehärteten Bauteil, Verschnitt der Fasern zu erzeugen. Bevorzugt findet bei dem beschriebenen Bauteil nach der Herstellung des Verbundes aus Endlosfaserbündeln und Matrixwerkstoff keine weitere Bearbeitung statt, die eine Durchtrennung von in dem Bauteil angeordneten Fasern der Endlosfaserbündeln hervorrufen könnte. Insbesondere werden bevorzugt keine materialentfernenden Bearbeitungsschritte durchgeführt, die sich auf Bereiche des Bauteils auswirken, in welchen sich die Endlosfaserbündel befinden. Another preferred group of matrix materials are, for example, vitrimer resins. Such materials are an intermediate stage between thermosets and thermoplastics and can be dissolved, for example, under the influence of diethylenetriamine or propylamine at 60 °C to 100 °C. The patented process enables fiber-reinforced components to be manufactured without creating fiber waste when cutting and trimming the component, or when inserting openings in the semi-finished fiber product or hardened component. Preferably, after the composite of continuous fiber bundles and matrix material has been manufactured, no further processing takes place in the described component that could cause fibers of the continuous fiber bundles arranged in the component to be severed. In particular, preferably no material-removing processing steps are carried out that affect areas of the component in which the continuous fiber bundles are located.
Ein Aspekt der Erfindung ist es, dass Einlegebauteile (Inserts) fasergerecht bereits in das Faserhalbzeug eingearbeitet werden können, und somit ein nachträglicher Durchbruch durch mechanische Bearbeitung nicht länger notwendig ist. Besonders bevorzugt wird bei der Einbringung von Einlegebauteilen (Inserts) auch deren Auswirkung auf die Rückgewinnung der Fasern aus den Endlosfaserbündeln schon mitberücksichtigt. Insbesondere werden Inserts und Endlosfaserbündel bevorzugt im Bauteil so zueinander ausgerichtet, dass einerseits eine Kraftübertragung von den Inserts auf die Endlosfaserbündel und umgekehrt wie gewünscht möglich ist und andererseits eine Behinderung der Entnahme von Endlosfasern durch die Inserts nicht erfolgt. In Ausführungsvarianten sind Inserts und Endlosfaserbündel beispielsweise so in das Matrixmaterial eingebracht, dass nach einer Auflösung der Matrix Inserts entnommen werden können, ohne dass die Position der Fasern hierdurch gestört wird, so dass nach der Entnahme der Inserts die Entnahme der Endlosfasern möglich ist. In weiteren Ausführungsvarianten sind Endlosfasern und Inserts beispielsweise so in das Matrixmaterial eingebracht, dass nach einer Auflösung der Matrix zunächst Endlosfaserbündel entnommen werden können, ohne dass die Endlosfasern dabei gegen die Inserts stoßen bzw. von den Inserts blockiert werden. One aspect of the invention is that inserts can be incorporated into the fiber semi-finished product in a way that is appropriate for the fibers, and thus a subsequent breakthrough through mechanical processing is no longer necessary. When inserting inserts, their effect on the recovery of the fibers from the continuous fiber bundles is particularly preferably taken into account. In particular, inserts and continuous fiber bundles are preferably aligned with one another in the component in such a way that, on the one hand, force can be transmitted from the inserts to the continuous fiber bundles and vice versa as desired, and, on the other hand, the inserts do not hinder the removal of continuous fibers. In design variants, inserts and continuous fiber bundles are, for example, incorporated into the matrix material in such a way that inserts can be removed after the matrix has dissolved without disturbing the position of the fibers, so that the continuous fibers can be removed after the inserts have been removed. In other design variants, continuous fibers and inserts are, for example, introduced into the matrix material in such a way that, after the matrix has been dissolved, continuous fiber bundles can be removed without the continuous fibers colliding with the inserts or being blocked by the inserts.
Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, den Verschnitt bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen zu minimieren. This can advantageously help to minimize waste during the production of fiber-reinforced components.
In vorteilhafter Weise kann die Erfindung dazu beitragen, die Produktionsgeschwindigkeit bei der Herstellung von recyclingfähigen faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. Durch eine, auf eine automatisierte Fertigung konzipierte Fertigungsweise, die manuelle Eingriffe minimiert, sowie der Entfall wesentlicher Prozessschritte wie Zuschnitt der Fasern, Besäumung des Halbzeugs als auch des fertigen Bauteils, können wesentliche Einsparungen der Prozesszeit erreicht werden. Die Verwendung der hier beschriebenen Endlosfaserbündel kann also in einen optimierten Gesamtprozess integriert werden. Einsparungen in der Prozesszeit können teilweise auch Mehrkosten kompensieren, die durch die Verwendung der Endlosfaserbündel entstehen. The invention can advantageously contribute to increasing the production speed in the manufacture of recyclable fiber-reinforced components. A manufacturing method designed for automated production that minimizes manual intervention and eliminates essential process steps such as cutting the fibers, trimming the semi-finished product and the finished component can achieve significant savings in process time. The use of the continuous fiber bundles described here can therefore be used in an optimized overall process. Savings in process time can partially compensate for additional costs that arise from the use of continuous fiber bundles.
Durch das Herstellungsverfahren mit nicht abgeschnittenen Fasern ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, spezifische auf das Bauteil angepasste Faserorientierungen und -verlaufe und nicht lineare Faseranordnungen, zu realisieren. Die freie Manipulation der Fasern ermöglicht eine optimierte, fasergerechte Lasteinleitung und -Verteilung. Dies kann in vorteilhafter weise dazu beitragen, die mechanische Leistungsfähigkeit von faserverstärkten Bauteilen zu erhöhen. A further aspect of the invention is the realization of fiber orientations and courses that are specifically adapted to the component and non-linear fiber arrangements through the manufacturing process with uncut fibers. The free manipulation of the fibers enables optimized, fiber-appropriate load introduction and distribution. This can advantageously contribute to increasing the mechanical performance of fiber-reinforced components.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Polymerwerkstoff so beschaffen ist, dass er nach der Aushärtung des Harzsystems thermisch und/oder chemisch in mindestens ein Monomer bzw. kürzere Polymere auflösbar ist. According to an advantageous embodiment, it is proposed that the polymer material is such that after curing of the resin system it can be thermally and/or chemically dissolved into at least one monomer or shorter polymers.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Endlosfaserbündel eine Länge von mindestens 5 m, vorzugsweise eine Länge im Bereich von 5 m bis 10.000 m aufweist. According to a further advantageous embodiment, it is proposed that the continuous fiber bundle has a length of at least 5 m, preferably a length in the range of 5 m to 10,000 m.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Endlosfaserbündel mit einer oder mehreren Umlenkungen und/oder mit einer oder mehreren Windungen in dem Strukturbauteil verläuft. According to a further advantageous embodiment, it is proposed that the continuous fiber bundle runs with one or more deflections and/or with one or more turns in the structural component.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in zumindest einer oder mehrerer Schichten des Strukturbauteils nur ein einzelnes Endlosfaserbündel verläuft. According to a further advantageous embodiment, it is proposed that only a single continuous fiber bundle runs in at least one or more layers of the structural component.
Vorzugsweise können mehrere Schichten mit einem Endlosfaserbündel oder einem Teilbereich des Endlosfaserbündels übereinander angeordnet sein. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Endlosfaserbündel oder Teilbereiche des Endlosfaserbündels in übereinander liegenden Schichten verschieden zueinander ausgerichtet sind. Preferably, several layers with a continuous fiber bundle or a partial area of the continuous fiber bundle can be arranged one above the other. In this context, it can be provided that the continuous fiber bundles or partial areas of the continuous fiber bundle in layers lying one above the other are aligned differently to one another.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines faserverstärkten und recycelbaren Strukturbauteils angegeben, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Endlosfaserbündels, b) Anordnen und/oder Ausrichten des Endlosfaserbündels, c) Umgeben des angeordneten und/oder ausgerichteten Endlosfaserbündels mit einem Polymer-Werkstoff zur Ausbildung einer Matrix zum Halten des Endlosfaserbündels, wobei der Polymer-Werkstoff so bereitgestellt wird, dass er sich thermisch und/oder chemisch in kürzere Polymere oder Monomere auflösen und somit vollständig von dem Faserbündel separieren lässt. According to a further aspect, a method for providing a fiber-reinforced and recyclable structural component is provided, comprising at least the following steps: a) providing a continuous fiber bundle, b) arranging and/or aligning the continuous fiber bundle, c) Surrounding the arranged and/or aligned continuous fiber bundle with a polymer material to form a matrix for holding the continuous fiber bundle, wherein the polymer material is provided in such a way that it can be thermally and/or chemically broken down into shorter polymers or monomers and thus completely separated from the fiber bundle.
Die Schritte a), b) und c) können zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal und/oder wiederholt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können die Schritte a), b) und c), insbesondere die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig durchgeführt werden. To carry out the method, steps a), b) and c) can be carried out, for example, at least once and/or repeatedly in the order given. Furthermore, steps a), b) and c), in particular steps a) and b), can be carried out at least partially in parallel or simultaneously.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verfahren zur Herstellung eines hier beschriebenen Strukturbauteils durchgeführt wird. Das Verfahren kann zur Herstellung eines hier beschriebenen Strukturbauteils durchgeführt werden. According to an advantageous embodiment, it is proposed that the method is carried out to produce a structural component described here. The method can be carried out to produce a structural component described here.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: d) Thermisches und/oder chemisches Auflösen der Matrix, e) Entnehmen und/oder Aufnehmen des Endlosfaserbündels. According to an advantageous embodiment, it is proposed that the method further comprises the following steps: d) thermal and/or chemical dissolution of the matrix, e) removal and/or collection of the continuous fiber bundle.
Die im Zusammenhang mit dem Strukturbauteil erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen. The details, features and advantageous embodiments discussed in connection with the structural component can also occur in the process presented here and vice versa. In this respect, full reference is made to the explanations there for a more detailed characterization of the features.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines hier beschriebenen Strukturbauteils zur Bereitstellung eines recycelbaren Bauteils für ein Fahrrad angegeben. According to a further aspect, a use of a structural component described here for providing a recyclable component for a bicycle is specified.
Die im Zusammenhang mit dem Strukturbauteil und/oder dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen. The details, features and advantageous embodiments discussed in connection with the structural component and/or the method can also occur in the use presented here and vice versa. In this respect, full reference is made to the explanations there for a more detailed characterization of the features.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch: The solution presented here and its technical environment are explained in more detail below using the figures. It should be noted that the invention is shown embodiments. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and/or findings from other figures and/or the present description. They show schematically:
Fig. 1 : ein Beispiel für einen Aufbau eines hier beschriebenen Strukturbauteils. Fig. 1: an example of a structure of a structural component described here.
Fig. 2: einen beispielhaften Ablauf eines hier beschriebenen Verfahrens. Fig. 2: an exemplary sequence of a method described here.
Fig. 3: ein Beispiel für eine Ausführungsform eines Aspektes des Verfahrens. Fig. 3: an example of an embodiment of an aspect of the method.
Fig. 4: ein Beispiel für eine weitere Ausführungsform eines Aspekts des Verfahrens. Fig. 4: an example of another embodiment of an aspect of the method.
Fig. 5: ein Beispiel für eine Ausführungsform eines weiteren Aspektes desFig. 5: an example of an embodiment of another aspect of the
Verfahrens. procedure.
Fig. 6: ein Beispiel für eine Ausführungsform eines weiteren Aspektes desFig. 6: an example of an embodiment of another aspect of the
Verfahrens. procedure.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Aufbau eines hier beschriebenen, faserverstärkten und recycelbaren Strukturbauteils 1. Fig. 1 shows schematically an example of a structure of a fiber-reinforced and recyclable structural component 1 described here.
Das Strukturbauteil 1 weist ein Harzsystem, das eine Matrix 2 bildet, sowie ein Fasersystem 3 mit einem in der Matrix 2 gehaltenen Endlosfaserbündel 4 auf. Die Anordnung und/oder Ausrichtung des Endlosfaserbündels 4 trägt dazu bei zumindest einen Teil der Form 5 des Strukturbauteils 1 zu definieren. Das Harzsystem umfasst mindestens einen Polymer- Werkstoff 6 für die Matrix 2. Das Harzsystem ist so beschaffen, dass es eine DePolymerisation des Polymer- Werkstoffs 6 nach der Aushärtung des Harzsystems zulässt. Dies trägt in vorteilhafter weise dazu bei, dass das Endlosfaserbündel 4 wieder aus dem Strukturbauteil 1 entnommen und ggf. wiederverwendet bzw. recycelt werden kann. The structural component 1 has a resin system that forms a matrix 2, as well as a fiber system 3 with a continuous fiber bundle 4 held in the matrix 2. The arrangement and/or orientation of the continuous fiber bundle 4 helps to define at least part of the shape 5 of the structural component 1. The resin system comprises at least one polymer material 6 for the matrix 2. The resin system is designed in such a way that it allows depolymerization of the polymer material 6 after the resin system has hardened. This advantageously contributes to the continuous fiber bundle 4 being able to be removed from the structural component 1 and, if necessary, reused or recycled.
Der Polymer-Werkstoff 6 kann so beschaffen sein, dass sich nach der Aushärtung des Harzsystems thermisch und/oder chemisch kürzere Polymere oder Monomere auflösen und somit vollständig von dem Faserbündel separieren lassen. Das Endlosfaserbündel 4 kann eine Länge von mindestens 5 m aufweisen. Beispielsweise kann das Endlosfaserbündel 4 eine Länge im Bereich von 5 m bis 10.000 m aufweisen. The polymer material 6 can be designed in such a way that after curing of the resin system, shorter polymers or monomers dissolve thermally and/or chemically and can thus be completely separated from the fiber bundle. The continuous fiber bundle 4 can have a length of at least 5 m. For example, the continuous fiber bundle 4 can have a length in the range of 5 m to 10,000 m.
Das Endlosfaserbündel 4 kann mit einer oder mehreren Umlenkungen 7 und/oder mit einer oder mehreren Windungen in dem Strukturbauteil 1 verlaufen bzw. entsprechend verlaufend angeordnet und/oder ausgerichtet sein. The continuous fiber bundle 4 can run with one or more deflections 7 and/or with one or more turns in the structural component 1 or can be arranged and/or aligned accordingly.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist das Endlosfaserbündel 4 erste Abschnitte 19 und zweite Abschnitte 20 auf, die jeweils über eine Umlenkung 7, T verbunden sind. Die Umlenkungen 7, 7' können dadurch erhalten werden, dass das Anordnen und/oder Ausrichten des Endlosfaserbündels 4 mit einer oder mehreren Umlenkungen 7, 7‘ des Endlosfaserbündels erfolgt. Die Umlenkungen 7, 7‘ können mit den unten beschriebenen Umlenkrollen 14 gebildet werden. As shown in Fig. 1, the continuous fiber bundle 4 has first sections 19 and second sections 20, which are each connected via a deflection 7, 7'. The deflections 7, 7' can be obtained by arranging and/or aligning the continuous fiber bundle 4 with one or more deflections 7, 7' of the continuous fiber bundle. The deflections 7, 7' can be formed with the deflection rollers 14 described below.
Der erste Abschnitt 19 und der zweite Abschnitt 20 sind gerade angeordnet. Die über die Umlenkung 7 verbundenen ersten und zweiten Abschnitte 19, 20 sind parallel zueinander ausgerichtet. The first section 19 and the second section 20 are arranged straight. The first and second sections 19, 20 connected via the deflection 7 are aligned parallel to one another.
Das Endlosfaserbündel 4 weist im Bereich der Umlenkung 7, 7‘ jeweils eine Richtungsänderung des Endlosfaserbündels 4 auf. Dazu weist das Endlosfaserbündel 4 im Bereich der Umlenkung 7, 7‘ einen Umlenkwinkel auf. Der Umlenkwinkel der Umlenkung 7 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 180°. Das Endlosfaserbündel umfasst eine weitere Umlenkung 7‘, wobei der Umlenkwinkel der Umlenkung 7‘ weniger als 180° beträgt. The continuous fiber bundle 4 has a change in direction of the continuous fiber bundle 4 in the area of the deflection 7, 7'. For this purpose, the continuous fiber bundle 4 has a deflection angle in the area of the deflection 7, 7'. The deflection angle of the deflection 7 is 180° in the embodiment shown. The continuous fiber bundle comprises a further deflection 7', wherein the deflection angle of the deflection 7' is less than 180°.
Zwischen dem ersten Abschnitt 19 und dem zweiten Abschnitt 20 ist die Matrix 2 als Vollmaterial ausgebildet. Dabei weist die Matrix 2 in dem Bereich zwischen dem ersten Abschnitt 19 und dem zweiten Abschnitt 20 keinen Hohlraum auf. Between the first section 19 and the second section 20, the matrix 2 is formed as a solid material. The matrix 2 has no cavity in the area between the first section 19 and the second section 20.
Zu erkennen ist, dass das Strukturbauteil eine U-förmige Form 5 hat. Das Fasersystem 3 in dem Polymerbauteil ist durch ein Endlosfaserbündel 4 gebildet, welches durchgängig und in einen Polymer-Werkstoff als Matrix eingebettet ist. Abschnitte desselben Endlosfaserbündels 5 erstrecken sich durch beide Schenkel der U-Form 5. Das Endlosfaserbündel 5 hat einzelne Stränge, die jeweils durch Umlenkungen 7 miteinander verbunden sind. Um sich in die beiden Schenkel der U-Form erstrecken zu können ist das Endlosfaserbündel 5 an einer zentralen Position auseinander geklappt. Durch diese Anordnung kann das Endlosfaserbündel effizient so eingerichtet werden, dass es an die U-Form angepasst ist. Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines hier beschriebenen Verfahrens. Zu erkennen sind die Verfahrensschritte a), b), c) und ggf. zusätzlich noch d) und e), die nacheinander ausgeführt werden. It can be seen that the structural component has a U-shaped form 5. The fiber system 3 in the polymer component is formed by a continuous fiber bundle 4, which is continuous and embedded in a polymer material as a matrix. Sections of the same continuous fiber bundle 5 extend through both legs of the U-shape 5. The continuous fiber bundle 5 has individual strands, each of which is connected to one another by deflections 7. In order to be able to extend into the two legs of the U-shape, the continuous fiber bundle 5 is folded out at a central position. This arrangement allows the continuous fiber bundle to be efficiently set up so that it is adapted to the U-shape. Fig. 2 shows an example of a process described here. The process steps a), b), c) and possibly also d) and e) can be seen, which are carried out one after the other.
Das Verfahren dient zur Bereitstellung eines faserverstärkten und recycelbaren Strukturbauteils 1. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann sich so zum Beispiel bei einem regulären Ablauf des Verfahrens einstellen. The method serves to provide a fiber-reinforced and recyclable structural component 1. The sequence of steps a), b) and c) shown in blocks 110, 120 and 130 is exemplary and can be used, for example, in a regular sequence of the method.
In Block 110 erfolgt gemäß Schritt a) ein Bereitstellen eines Endlosfaserbündels 4. In Block 120 erfolgt gemäß Schritt b) ein Anordnen und/oder Ausrichten des Endlosfaserbündels 4. In Block 130 erfolgt gemäß Schritt c) ein Umgeben des angeordneten und/oder ausgerichteten Endlosfaserbündels 4 mit einem Polymer-Werkstoff 6 zur Ausbildung einer Matrix 2 zum Halten des Endlosfaserbündels 4, wobei der Polymer- Werkstoff 6 so bereitgestellt wird, dass er sich thermisch und/oder chemisch in mindestens ein Monomer und/oder kürzere Polymere auflösen lässt. In block 110, according to step a), a continuous fiber bundle 4 is provided. In block 120, according to step b), the continuous fiber bundle 4 is arranged and/or aligned. In block 130, according to step c), the arranged and/or aligned continuous fiber bundle 4 is surrounded with a polymer material 6 to form a matrix 2 for holding the continuous fiber bundle 4, wherein the polymer material 6 is provided in such a way that it can be thermally and/or chemically dissolved into at least one monomer and/or shorter polymers.
Das Verfahren kann zum Beispiel zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Strukturbauteils 1 durchgeführt werden. The method can be carried out, for example, to produce the structural component 1 shown in Fig. 1.
Optional kann in einem Block 140 gemäß einem Schritt d) ein thermisches und/oder chemisches Auflösen der Matrix 2 erfolgen. Weiterhin optional kann in einem Block 150 gemäß einem Schritt e) ein Entnehmen und/oder Aufnehmen des Endlosfaserbündels 4 erfolgen. Optionally, in a block 140 according to a step d), the matrix 2 can be thermally and/or chemically dissolved. Furthermore, optionally, in a block 150 according to a step e), the continuous fiber bundle 4 can be removed and/or picked up.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Ausführungsform eines Aspektes des Verfahrens. Fig. 3 shows schematically an example of an embodiment of an aspect of the method.
Fig. 3 zeigt eine Maschine 10 zur Bildung des Fasersystems 3. Der Blick ist in Fig. 3a von oben und in Fig. 3b von der Seite auf die Maschine 10 gerichtet. Fig. 3 shows a machine 10 for forming the fiber system 3. The view of the machine 10 is from above in Fig. 3a and from the side in Fig. 3b.
Das Fasersystem 3 wird von einem Rahmen 11 mit zwei Rahmensegmenten 13 aufgespannt. Zum Aufspannen bzw. Orientieren des Endlosfaserbündels 4 werden die Rahmensegmente 13 in einer Spannrichtung 18 auseinander bewegt. Es können mittels der gezeigten Anordnung der Umlenkrollen 14, die an den Rahmensegmenten 13 gehalten sind, mehrere Umlenkbereiche 7 in der Anordnung und Ausrichtung des Endlosfaserbündels 4 gebildet werden. Weiterhin können mittels der gezeigten Anordnung der Umlenkrollen 14 mehrere Teilbereiche 9, 9‘ und 9“ des Endlosfaserbündels 4 übereinander angeordnet werden. The fiber system 3 is clamped by a frame 11 with two frame segments 13. To clamp or orient the continuous fiber bundle 4, the frame segments 13 are moved apart in a clamping direction 18. By means of the shown arrangement of the deflection rollers 14, which are held on the frame segments 13, several deflection areas 7 are formed in the arrangement and orientation of the continuous fiber bundle 4. Furthermore, by means of the arrangement of the deflection rollers 14 shown, several partial areas 9, 9' and 9" of the continuous fiber bundle 4 can be arranged one above the other.
Es kann vorgesehen sein, dass in zumindest einer Schicht 8 des Strukturbauteils 1 nur ein einzelnes Endlosfaserbündel 4 verläuft. It can be provided that in at least one layer 8 of the structural component 1 only a single continuous fiber bundle 4 runs.
Weiterhin können mehrere Schichten 8 mit einem Endlosfaserbündel 4 oder einem Teilbereich 9 des Endlosfaserbündels 4 übereinander angeordnet sein. Die Endlosfaserbündel 4 oder Teilbereiche 9 des Endlosfaserbündels 4 können in übereinander liegenden Schichten 8 verschieden zueinander ausgerichtet sein. Furthermore, several layers 8 with a continuous fiber bundle 4 or a partial area 9 of the continuous fiber bundle 4 can be arranged one above the other. The continuous fiber bundles 4 or partial areas 9 of the continuous fiber bundle 4 can be aligned differently to one another in layers 8 lying one above the other.
Beispielsweise können die Teilbereiche 9, 9‘ und 9“ drei beispielhafte Schichten 8 bilden. For example, the subregions 9, 9’ and 9” can form three exemplary layers 8.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Beispiel für eine weitere Ausführungsform eines Aspekts des Verfahrens. Fig. 4 shows schematically an example of a further embodiment of an aspect of the method.
Hier ist eine Maschine 10 zur Bildung eines Fasersystems 3 gezeigt, mit welcher mehrere Schichten 8 eines Rovings gebildet werden können, in welchen die Fasern jeweils unterschiedlich (hier im 90°-Winkel zueinander) ausgerichtet sind und welche trotzdem ein Endlosfaserbündel 4 bilden. Hier existieren beispielhaft insgesamt vier Rahmensegmente 13 eines Rahmens 11 mit Umlenkrollen 14, die jeweils paarweise jeweils in einer Spannrichtung 18 auseinander bewegt werden können. Auf den Umlenkrollen 14 aller vier Rahmensegmente 13 läuft ein durchgängiges Endlosfaserbündel 4, dessen Teilbereiche 9 durch das Spannen in Spannrichtung 18 jeweils verlängert werden, so dass das Endlosfaserbündel 4 von einer Faserzuführrolle aus erzeugt wird. Here, a machine 10 for forming a fiber system 3 is shown, with which several layers 8 of a roving can be formed, in which the fibers are each aligned differently (here at a 90° angle to each other) and which nevertheless form a continuous fiber bundle 4. Here, for example, there are a total of four frame segments 13 of a frame 11 with deflection rollers 14, which can each be moved apart in pairs in a tensioning direction 18. A continuous continuous fiber bundle 4 runs on the deflection rollers 14 of all four frame segments 13, the partial areas 9 of which are each extended by tensioning in the tensioning direction 18, so that the continuous fiber bundle 4 is produced from a fiber feed roller.
Fig. 5 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Ausführungsform eines weiteren Aspektes des Verfahrens. Fig. 5 shows schematically an example of an embodiment of a further aspect of the method.
In Fig. 5 ist der Blick von oben auf ein unteres Formwerkzeug 15 gerichtet, in das das Fasersystem 3 mittels der Rahmensegmente 13 abgelegt wird. Beispielsweise können einzelne Umlenkrollen 14 eines Rahmensegments 13 gezielt bewegt werden, um die Form des Endlosfaserbündels 4 und die Form eines Formwerkzeuges 15 anzupassen und das Endlosfaserbündel 4 in dem Formwerkzeug 15 abzulegen. Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Ausführungsform eines weiteren Aspektes des Verfahrens. In Fig. 6 ist das geschlossene Formwerkzeug mit unterem Teil 15 und oberem Teil 16 gezeigt. Zudem sind Harzeinlässe 17 gezeigt, durch die der Polymer-Werkstoff 6 eingeleitet werden kann. In Fig. 5, the view from above is directed to a lower forming tool 15, into which the fiber system 3 is deposited by means of the frame segments 13. For example, individual deflection rollers 14 of a frame segment 13 can be moved in a targeted manner in order to adapt the shape of the continuous fiber bundle 4 and the shape of a forming tool 15 and to deposit the continuous fiber bundle 4 in the forming tool 15. Fig. 6 shows a schematic example of an embodiment of a further aspect of the method. Fig. 6 shows the closed mold with lower part 15 and upper part 16. In addition, resin inlets 17 are shown through which the polymer material 6 can be introduced.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Strukturbauteil 1 structural component
2 Matrix 2 Matrix
3 Fasersystem 3 fiber system
4 Endlosfaserbündel4 continuous fiber bundles
5 Form 5 Shape
6 Polymer-Werkstoff6 Polymer material
7, 7' Umlenkung 7, 7' redirection
8 Schicht 8 layer
9 Teilbereich 9 Subsection
10 Maschine 10 Machine
11 Rahmen 11 frames
12 Faserzuführrolle 12 Fiber feed roller
13 Rahmensegment 13 Frame segment
14 Umlenkrolle 14 Deflection pulley
15 unteres Formwerkzeug15 lower mold
16 oberes Formwerkzeug16 upper mold
17 Harzeinlass 17 Resin inlet
18 Spannrichtung 18 Clamping direction
19 erster Abschnitt 19 first section
20 zweiter Abschnitt 20 second section

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Faserverstärktes und recycelbares Strukturbauteil (1), aufweisend: 1. Fiber-reinforced and recyclable structural component (1), comprising:
- ein Harzsystem, das eine Matrix (2) bildet, - a resin system forming a matrix (2),
- ein Fasersystem (3) mit einem in der Matrix (2) gehaltenen Endlosfaserbündel (4), wobei die Anordnung und/oder Ausrichtung des Endlosfaserbündels (4) zumindest einen Teil der Form (5) des Strukturbauteils (1) definiert, wobei das Harzsystem mindestens einen Polymer-Werkstoff (6) für die Matrix (2) umfasst, wobei das Harzsystem so beschaffen ist, dass es eine De-Polymerisation des Polymer-Werkstoffs (6) nach der Aushärtung des Harzsystems zulässt, insbesondere um das Endlosfaserbündel (4) wieder aus dem Strukturbauteil (1) entnehmen zu können. - a fiber system (3) with a continuous fiber bundle (4) held in the matrix (2), wherein the arrangement and/or orientation of the continuous fiber bundle (4) defines at least part of the shape (5) of the structural component (1), wherein the resin system comprises at least one polymer material (6) for the matrix (2), wherein the resin system is designed such that it allows depolymerization of the polymer material (6) after curing of the resin system, in particular in order to be able to remove the continuous fiber bundle (4) from the structural component (1) again.
2. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 , wobei der Polymer- Werkstoff (6) so beschaffen ist, dass sich nach der Aushärtung des Harzsystems thermisch und/oder chemisch kürzere Polymere oder Monomere auflösen lassen. 2. Structural component (1) according to claim 1, wherein the polymer material (6) is such that after curing of the resin system, shorter polymers or monomers can be dissolved thermally and/or chemically.
3. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Endlosfaserbündel (4) eine Länge von mindestens 5 m, vorzugsweise eine Länge im Bereich von 5 m bis 10.000 m aufweist. 3. Structural component (1) according to claim 1 or 2, wherein the continuous fiber bundle (4) has a length of at least 5 m, preferably a length in the range of 5 m to 10,000 m.
4. Strukturbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Endlosfaserbündel (4) mit einer oder mehreren Umlenkungen (7, 7‘) und/oder mit einer oder mehreren Windungen in dem Strukturbauteil (1) verläuft. 4. Structural component (1) according to one of the preceding claims, wherein the continuous fiber bundle (4) runs with one or more deflections (7, 7') and/or with one or more turns in the structural component (1).
5. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosfaserbündel (4) einen ersten Abschnitt (19) und einen zweiten Abschnitt (20) aufweist, wobei der erste Abschnitt (19) und der zweite Abschnitt (20) über die Umlenkung (7, 7‘) oder eine der Umlenkungen (7, 7‘) verbunden sind. 5. Structural component (1) according to claim 4, characterized in that the continuous fiber bundle (4) has a first section (19) and a second section (20), wherein the first section (19) and the second section (20) are connected via the deflection (7, 7') or one of the deflections (7, 7').
6. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (19) und der zweite Abschnitt (20) gerade angeordnet sind. 6. Structural component (1) according to claim 5, characterized in that the first section (19) and the second section (20) are arranged straight.
7. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosfaserbündel (4) im Bereich der einen oder mehreren Umlenkungen (7, 7‘) jeweils eine Richtungsänderung des Endlosfaserbündels (4) aufweist. 7. Structural component (1) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the continuous fiber bundle (4) in the region of the one or more deflections (7, 7') each has a change in direction of the continuous fiber bundle (4).
8. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Abschnitt (19) und dem zweiten Abschnitt (20) die Matrix (2) als Vollmaterial ausgebildet ist. 8. Structural component (1) according to one of claims 5 to 7, characterized in that between the first section (19) and the second section (20) the matrix (2) is formed as a solid material.
9. Strukturbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einer Schicht (8) des Strukturbauteils (1) nur ein einzelnes Endlosfaserbündel (4) verläuft. 9. Structural component (1) according to one of the preceding claims, wherein only a single continuous fiber bundle (4) runs in at least one layer (8) of the structural component (1).
10. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 9, wobei mehrere Schichten (8) mit jeweils einem Endlosfaserbündel (4) oder einem Teilbereich (9) des Endlosfaserbündels (4) übereinander angeordnet sind und wobei die Endlosfaserbündel (4) oder Teilbereiche (9) des Endlosfaserbündels (4) in übereinander liegenden Schichten (8) verschieden zueinander ausgerichtet sind. 10. Structural component (1) according to claim 9, wherein a plurality of layers (8), each with a continuous fiber bundle (4) or a partial region (9) of the continuous fiber bundle (4), are arranged one above the other, and wherein the continuous fiber bundles (4) or partial regions (9) of the continuous fiber bundle (4) in superimposed layers (8) are aligned differently to one another.
11. Verfahren zur Bereitstellung eines faserverstärkten und recycelbaren Strukturbauteils (1), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Endlosfaserbündels (4), b) Anordnen und/oder Ausrichten des Endlosfaserbündels (4), c) Umgeben des angeordneten und/oder ausgerichteten Endlosfaserbündels (4) mit einem Polymer-Werkstoff (6) zur Ausbildung einer Matrix (2) zum Halten des Endlosfaserbündels (4), wobei der Polymer-Werkstoff (6) so bereitgestellt wird, dass es sich thermisch und/oder chemisch in mindestens ein Monomer und/oder kurzen Polymerketten auflösen lässt. 11. Method for providing a fiber-reinforced and recyclable structural component (1), comprising at least the following steps: a) providing a continuous fiber bundle (4), b) arranging and/or aligning the continuous fiber bundle (4), c) surrounding the arranged and/or aligned continuous fiber bundle (4) with a polymer material (6) to form a matrix (2) for holding the continuous fiber bundle (4), wherein the polymer material (6) is provided such that it can be thermally and/or chemically dissolved into at least one monomer and/or short polymer chains.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen und/oder Ausrichten des Endlosfaserbündels (4) mit einer oder mehreren Umlenkungen (7, 7‘) des Endlosfaserbündels erfolgt, wobei die eine oder mehrere Umlenkungen (7, 7‘) mittels Umlenkrollen (14) gebildet werden. 12. Method according to claim 11, characterized in that the arrangement and/or alignment of the continuous fiber bundle (4) is carried out with one or more deflections (7, 7') of the continuous fiber bundle, wherein the one or more deflections (7, 7') are formed by means of deflection rollers (14).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, weiterhin umfassend folgende Schritte: d) Thermisches und/oder chemisches Auflösen der Matrix (2), e) Entnehmen und/oder Aufnehmen des Endlosfaserbündels (4). Verwendung eines Strukturbauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bereitstellung eines recycelbaren Bauteils für ein Fahrrad. 13. The method according to claim 11 or 12, wherein the method for producing a structural component (1) is carried out according to one of claims 1 to 10. Method according to one of claims 11 to 13, further comprising the following steps: d) thermal and/or chemical dissolution of the matrix (2), e) removal and/or collection of the continuous fiber bundle (4). Use of a structural component (1) according to one of claims 1 to 10 for providing a recyclable component for a bicycle.
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