DE102011115803B4 - Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix und Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus derartigem Halbzeug - Google Patents

Abstract

Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass es aufgrund lokal voneinander abgegrenzter und lokal voneinander abweichender unterschiedlicher Fasern, Verbundstrukturen oder Matrixmaterialien, bei Vorgabe eines Verschwenkwinkels zwischen einander kreuzenden Lagen unidirektionaler Fasern, Bereiche unterschiedlicher Steifigkeiten oder ornamentaler Eindrücke aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Halbzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus derartigem Halbzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
• Das hier betrachtete Halbzeug besteht im Wesentlichen aus einem, gewöhnlich mehrlagigen, Verbund aus mechanisch hoch belastbaren Fasern wie etwa aus Glas, Carbon oder Aramid, die sich ununterbrochen über die gesamten Abmessungen des Halbzeuges erstrecken. Abgesehen von den mechanischen Eigenschaften der Fasern geht die Verbundgeometrie - wie Gewebe oder Gelege dieses Flächengebildes - in die Belastbarkeit des Halbzeuges und dann des daraus erstellten Bauteiles ein. Dieser Faserverbund aus typischerweise etwa 0,2 bis 0,3 Millimeter starken Einzellagen ist in eine Matrix in Form einer Imprägnierung oder Laminierung aus insbesondere einem Polymer wie Polypropylen, Polyamid, thermoplastischem Polyurethan oder Polyphenylensulfid eingebettet. Ein derartiges Halbzeug wird etwa auf die in die Ebene abgewickelte Geometrie eines Bauteiles zugeschnitten. Unter Hitze- und Druckeinwirkung ist das Halbzeug dann ähnlich wie Blech zum dreidimensionalen Bauteil verformbar, insbesondere tiefziehbar; weshalb solch ein Faserverbundwerkstoff auch als Organoblech bezeichnet wird (vgl. DE 10 2010 001 634 A1 ). Das derart thermoplastisch geformte Bauteil zeichnet sich nach dem Aushärten vor allem durch hohe Festigkeit und Formsteifigkeit bei geringem spezifischem Gewicht aus.
• Aus der DE 36 36 300 A1 ist es für ein Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix bekannt, die jeweils parallel zueinander verlaufenden Fasern in gewohnter Weise als Gewebe oder als Gelege orthogonal, in Kett- und Schussrichtung, zueinander auszurichten und erforderlichenfalls mit einer Bindungskette zusammenzuhalten; jedoch mit der Besonderheit, in der einen Richtung ein Fasermaterial anderer Eigenschaften wie Dehnbarkeit, Elastizität und Temperaturfestigkeit einzusetzen, als quer dazu. Dadurch soll eine bessere räumliche Verformbarkeit erzielt werden, weil die Fasern in der einen Richtung stärker gedehnt werden können, als quer dazu, während die Fasern in der anderen Richtung sich besser verlagern können, als quer dazu.
• Vorliegender Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Halbzeug störunanfälliger und auch ansonsten preisgünstiger fertigbar sowie vielseitiger einsetzbar auszulegen.
• Diese Aufgabe wird durch die jeweilige(n) Merkmalskombination(en) der selbständigen Patentansprüche gelöst.
• Während etwa ein klassisches Leinwandstruktur- oder ein Körperstruktur-Gewebe aus Carbonfasern in durchscheinender thermoplastischer Matrix einen besonders hochwertigen Eindruck macht, kann dieser Anblick im Einzelfall unerwünscht sein, etwa zur Abstaffelung von Konsumgüter-Preispunkten. Insofern ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Flächengebilde des in der Matrix einzufassenden Verbundes nicht aus Schussfasern durch die Struktur parallel aufgespannter Kettfasern hindurch - und dadurch wellig - miteinander zu verweben, sondern aus gegeneinander verschwenkt aufeinanderfolgenden Gelegen ebener Lagen unidirektionaler Faserverläufe auszubilden. Das vermeidet auch weitgehend die beim Gewebe einander benachbart auftretenden, mit Matrixmaterial zu füllenden Kreuzungs-Hohlräume variabler Querschnitte. Durch die Vorgabe des Winkels der einander kreuzenden jeweils ebenen Faserlagen kann die Festigkeitsgeometrie des Halbzeuges vorgegeben beziehungsweise beeinflusst werden. Zweckmäßigerweise liegen die einzelnen Lagen der zueinander parallel verlaufenden linearen Fasern nicht „lose“ aufeinander, sondern sie sind an deren Kreuzungsstellen miteinander vernäht, wie es als solches unter Einsatz einer Bindungskette vorbekannt ist.
• Auch beim Aufbau eines Gitterbodenrostes nach DE 1 99 57 906 A1 werden Faser-Kreuzungspunkte vernäht; wobei hier die Fasern in den Kreuzungspunkten für eine ebene Auflagefläche derart verlegt werden sollen, dass sich eine Dicke beziehungsweise ein Querschnitt ergibt, der den Verhältnissen in den angrenzenden Faserabschnitten entspricht.
• Zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffes mit duroplastischer Matrix ist es aus der WO 2013/040618 A1 bekannt, auf eine Lage aus noch unbenetzten unidirektionalen Faserbündeln ein matrixbenetztes Faserbündel in sinusförmigem Verlauf aufzubringen. Dessen Maxima werden später längs des Randes der Lage unidirektionaler Faserbündel gekappt. Dann verbleibt auf der unidirektionalen Lage von Faserbündeln eine Folge von gemäß den Sinus-Flanken abwechselnd geneigten kurzen matrixgetränkten Faserbündeln zum Fixieren der darunter gelegenen unidirektionalen Lage aus Faserbündeln.
• In einer Spritzgussform können Funktionselemente auch komplizierter Geometrie wie Rasthaken oder -ösen, Scharnierteile oder Dichtungen aus thermoplastischem Kunststoff nach dem - oder sogar auch bei dem - zwei- oder dreidimensionalen Verformen zum Bauteil an die thermoplastische Matrix des Halbzeuges angespritzt werden. Bei entsprechend unterschiedlichen Anforderungen etwa an die Steifigkeit eines Scharnierteils, eines Rasthakens, einer Randeinrahmung oder eines Dichtungsrahmens beziehungsweise bei sonstigen lokal geforderten mechanischen Eigenschaften wird dabei im Interesse rationeller Fertigung vorzugsweise ein Mehrkomponenten-Spritzguss realisiert, um mehrmaliges Umspannen zwischen verschiedenen Spritzgussformen für unterschiedliche Materialien zu erübrigen.
• Die oben erwähnte DE 10 2010 001 634 A1 offenbart ein Verdrängen der eingegossenen Verstärkungsfasern mittels eines erwärmten, spitzkegelig in das Halbzeug eingedrückten Werkzeugs, woraufhin der dadurch geschaffene kreisförmige Faser-Freiraum ringförmig mit Kunststoff umspritzt werden kann.
• Zum Erzielen eines besonders ebenen Verbundbauteiles wird das zugeschnittene Verbundhalbzeug in einer Presse geplättet, ehe etwaige Anspritzungen in einer Spritzgussform erfolgen. Es kann aber auch in der Spritzgussform selbst zunächst, vor dem Anspritzen von Funktionsteilen an die Matrix, unter Einbringen von Druck und Wärme ein zweidimensionales Plätten des zugeschnittenen Halbzeuges erfolgen, das ein (abgesehen von den erwähnten Anspritzungen) ebenes Bauteil erbringen soll. Jedenfalls dann, wenn ohnehin ein Verbringen in eine Spritzgussform erforderlich wird, ist ein Plätten in dieser Form vor dem Anspritzen von Funktionsteilen wie einem Dichtrand zweckmäßig. Durch entsprechendes Profilieren des Spritzgusswerkzeuges kann sogar eine gewisse dreidimensionale Formgebung des Halbzeuges erzielt werden, ohne dafür zunächst, vor dem Einbringen in die Spritzgussform, noch ein gesondertes Tiefziehwerkzeug einsetzen zu müssen. Die Verformung erfolgt auch hier, wie beim Plätten in der Spritzgussform, durch die Druckausübung beim Schließen der Form, je nach der Formgebung gegebenenfalls dann noch gesteigert durch das Einbringen des Spritzgussmateriales.
• Mit solchem Plätten vor oder bei Anspritzen von Funktionsteilen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften in derselben Spritzgussform hat es nichts zu tun, gemäß der DE 10 2006 009 344 A1 zwei harzimprägnierte Fasergewebe unter gegenseitigem Abstand parallel durch ein Pultrusionswerkzeug hindurchzuziehen und dabei den Abstand dadurch auszufüllen, dass in das Pultrusionswerkzeug ein vorgefertigtes Filmscharnier eingelegt oder pastöser Thermoplast zum Extrudieren zusammen mit den Fasermatten eingegeben wird.
• Nach der DE 1 02 50 765 A1 wird ein Formteil aus faserverstärktem Kunststoff mit angelenktem Klappenteil dadurch hergestellt, dass ein Streifen flexiblen Materials in einen Spalt eingebracht wird, der durch Zurückziehen eines Stempels in der Spritzgussform freigelegt wird.
• Ebenfalls bereits in der Spritzgussform kann, nämlich durch die benachbarte Werkzeughälfte hindurch, das Aufbringen einer wenigstens einlagigen Lackschicht-Benetzung auf eine der Oberflächen des Bauteiles erfolgen, oder auf bestimmte Bereiche davon. Zu empfehlen ist ein kratzfester oder selbstheilender Schutzlack auf einer den Glanz- und gegebenenfalls Farbeffekt ergebenden Lackschicht, zwischen der und dem Bauteil zunächst ein Primer aufgebracht wurde. Solch ein Effektlack kann auch für besondere Funktionalitäten ausgewählt sein, etwa als Silberlack für eine Antennenfunktion.
• Besonders vielfältige Einsatzmöglichkeiten eröffnet ein Patchwork-Halbzeug aus lokal unterschiedlichen Matrix-Materialien und -Farben oder Verbundstrukturen und deren Fasern. Zu breiter Erweiterung der Funktionalität nicht nur im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, sondern insbesondere auch hinsichtlich elektrischen und hochfrequenztechnischen Verhaltens des Halbzeuges führt eine größerflächige oder wenigstens partielle Ergänzung des Verbundes durch Carbonfasern oder feinste Metalldrähte (insbesondere aus Stahl oder Kupfer). Damit können Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit gegeneinander abgegrenzt und auch ornamentale Eindrücke hervorgerufen oder in ihrem Verlauf und ihrem wirksamen Querschnitt definiert vorgegebene Leiterbahnengeometrien realisiert werden. Für eine Schaltungsauslegung wirkt sich dabei hinsichtlich des Stromflusses vorteilhaft aus, dass selbst bei einem Verbund aus nichtisolierten Leitern wie Carbonfasern an Leiterkreuzungen nur geringfügiges „Übersprechen“ im Sinne einer kirchhoffschen Stromflussverzweigung auftritt - ganz überwiegend verbleibt der Stromfluss in derjenigen Faser, in welche die Stromeinspeisung erfolgt, was auch eine sensorische Leiterbahnenverfolgung durch das Halbzeug hindurch ermöglicht.
• Ein etwa als elektrischer Annäherungs- beziehungsweise Berührungsschalter einsetzbarer kapazitiver Sensor ergibt sich, wenn das Halbzeug mit einer vollflächigen oder linien- beziehungsweise netzartigen Elektrode hinterlegt oder bestückt ist. Als derartige Elektrode können also auch elektrisch leitende Fasern im Flächengebilde dienen. Diese Elektrode mit der Matrix als Dielektrikum kann dann z.B. an eine Schwingschaltung als Teil einer frequenzbestimmenden Kapazität angeschlossen werden, deren Wert sich bei Annäherung etwa einer Fingerkuppe signifikant ändert.
• Das zum Blitzschutz und gegen elektrostatische Aufladung elektrisch leitend ausgelegte Leichtbauteil nach DE 10 2006 048 920 B3 weist neben den ohnehin im Faserverbundmaterial enthaltenen Fasern dagegen zusätzlich elektrisch leitende Partikel im Harz und/oder elektrisch leitende Fasern auf, die unverwebt im Harz eingebettet sind.
• Bei als Elektroden verschalteten Fasern im Flächengebilde handelt es sich nicht um ein aus der DE 6 03 00 712 T2 bekanntes, so genanntes aktives Gewebe, das auf externe Stimulation hin seine mechanischen Eigenschaften verändert, wie es insbesondere bei Formgedächtnislegierungen oder bei elektroaktiven Polymeren anzutreffen ist.
• Zum Erzielen eines definiert farbigen, insbesondere weißen, Halbzeugs für daraus auszuformende ebene oder dreidimensional gekrümmte Bauteile wird die zu verarbeitende Faser entsprechend eingefärbt, oder ihr Verbund wird farbig hinterspritzt oder hinterstrichen beziehungsweise dem Verbund wird eine Farbfolie hinterlegt, ehe der so vorbereitete Verbund in eine - nicht unbedingt durchsichtige aber doch wenigstens durchscheinende - Matrix eingebettet wird. Häufig weist die Matrix einen Farbstich auf, zumal wenn es sich um einen an sich farbneutralen Kunststoff handelt. Dieser Farbstich wird dadurch spürbar kompensiert, dass für die Einfärbung oder Hinterfärbung des Verbundes oder für eine ihm hinterlegte Farbfolie eine farbenpsychologisch zur unerwünscht auftretenden Farberscheinung möglichst komplementäre Farbe gewählt ist, um dadurch den Farbstich in etwa zu neutralisieren. Insbesondere wird einem, bei farblosem Kunststoff häufig alterungsbedingt zu erwartenden, Gelbstich durch blaues bis violettes Ein- oder Hinterfärben des Verbundes im Sinne eines farbneutralen bis weißen Halbzeuges effektiv entgegengewirkt.
• Dabei ist es aus der DE 10 2010 028 247 A1 im Rahmen eines Verfahrens zum Erzeugen einer reliefartigen Oberfläche durch lokales Pressen eines Faserverbundelementes als solches bekannt, dieses bei der Herstellung zu färben, etwa zu tränken, oder die Fasern selbst vor dem Herstellen des Faserverbundelementes zu färben, um zusätzliche Oberflächeneffekte hervorzurufen. Abschließend kann auf das Prägedekor wenigstens eine transparente Schutzschicht aufgebracht werden. Wenn in die vordere, also sichtseitige Oberfläche des Faserverbundelementes irgendwelche Strukturen eingebettet sind, dann werden die von einer Versiegelungsschicht geschützt.
• Ein etwa gewünschtes Durchleuchten des Halbzeuges beziehungsweise des daraus geformten Bauteiles ist allenfalls diffus, zumeist gar nicht möglich. Wenn ein aus solchem Halbzeug geformtes Bauteil aber etwa für Signal- oder Anzeigezwecke partiell durchleuchtet werden soll, wird es (oder schon sein Halbzeug) insbesondere rückwärtig lokal, entsprechend geometrisch konfiguriert, bis zum Flächengebilde ausgefräst. Sofern die Festigkeitseigenschaften des Bauteiles im konkreten Anwendungsfall unkritisch sind, kann durchaus auch noch wenigstens die äußere Lage des mehrschichtigen Verbundes an- oder abgefräst werden. Zweckmäßig ist es in jedem Fall, die freigefrästen Bereiche im Sinne einer Lichtleiterfunktion mit transparentem Kunststoff wieder auszuspritzen und gegebenenfalls dabei gleich mehrere derartige Bereiche mittels des Lichtleitermaterials rückwärtig streifenförmig oder größerflächig miteinander zu verbinden.
• Ein Halbzeug aus einem in eine Kunststoffmatrix eingebetteten mehrlagigen Faser-Flächengebilde ist also wesentlich vielseitiger einsetzbar, wenn, gemäß einem Aspekt vorliegender Erfindung, die gegenseitigen Verschwenkwinkel von unidirektionalen Fasern in den einzelnen Lagen den zu erwartenden mechanischen oder elektrischen Anforderungen angepasst werden, mit untereinander vernähten Fasern an deren Kreuzungsstellen. Lokal voneinander abweichende Fasern, Verbundstrukturen oder Matrizes bilden gewissermaßen ein Patchwork-Halbzeug mit entsprechend variablen Anwendungsmöglichkeiten. Halbzeug aus beliebigen Faser-Flächengebilden in ihrer Kunststoffmatrix lässt sich, statt in einer Presse oder Tiefziehform, auch in einer Spritzgussform zu einem ebenen oder wenigstens geringfügig gewölbten Bauteil verformen; was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn ohnehin eine Überführung in eine Spritzgussform vorgesehen ist, etwa weil dem zum Bauteil verformten Halbzeug darin z.B. im Mehrkomponenten-Spritzguss noch Funktionselemente unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften angespritzt werden sollen. In der Form lassen sich auch voneinander beabstandete Bauelemente im Spritzguss beweglich miteinander verbinden. Eine Lackbeschichtung lässt sich durch das Spritzgusswerkzeug hindurch auf eine Oberfläche des Bauelementes aufbringen. Mit auf das Halbzeug aufgebrachten oder in das Halbzeug eingebrachten elektrisch leitfähigen Strukturen lassen sich Leiterbahnen von Schaltungen oder Elektroden von kapazitiven Sensoren realisieren. Brillante Farben werden für die Bauteile erzielt, wenn die Fasern entsprechend eingefärbt und / oder deren Flächengebilde entsprechend farbig hinterlegt sind. Störende Farbabweichungen, insbesondere bei weiß angestrebtem Halbzeug mit nicht ganz weißer Matrix, werden weitestgehend austariert durch Hinterlegen mit Komplementärfarben zum unerwünschten Farbeindruck. Für lokale Abstrahlung einer Hinterleuchtung erfährt das Halbzeug beziehungsweise das daraus geformte Bauteil eine insbesondere rückwärtige Ausfräsung und gegebenenfalls deren Auffüllung mit lichtleitendem Kunststoff.

Claims (7)

1. Halbzeug aus einem Verbund von Fasern in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass es aufgrund lokal voneinander abgegrenzter und lokal voneinander abweichender unterschiedlicher Fasern, Verbundstrukturen oder Matrixmaterialien, bei Vorgabe eines Verschwenkwinkels zwischen einander kreuzenden Lagen unidirektionaler Fasern, Bereiche unterschiedlicher Steifigkeiten oder ornamentaler Eindrücke aufweist.
2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Antennenfunktion infolge eines Bereiches mit Silberlack aufweist.
3. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund von Fasern auch elektrisch leitende Fasern zum Anschluss an eine Oszillatorschaltung, als eine der beiden Elektroden einer frequenzbestimmenden Kapazität mit der Matrix als Dielektrikum, aufweist.
4. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund von Fasern in seiner Kunststoffmatrix mit der Komplementärfarbe zur Farbe der Kunststoffmatrix eingefärbt oder farbig hinterstrichen oder hinterlegt ist.
5. Verfahren zum Gewinnen von Bauteilen aus Halbzeug nach einem der vorangehenden Sachansprüche durch Umformen des Halbzeuges unter Einbringen von Druck und Wärme, gekennzeichnet durch Umformen von Halbzeug, das als Verbund aus gegeneinander verschwenkten unidirektionalen, sich ununterbrochen über die gesamten Abmessungen des Halbzeuges erstreckenden Faserverläufen in aufeinanderfolgenden ebenen Lagen unter Vorgabe des Winkels der einander kreuzenden Faser-Lagen gemäß vorgegebener Festigkeitsgeometrie des Halbzeuges in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet wurde, zu einem ebenen oder dreidimensional geformten Bauteil in einer Spritzgussform unter Einbringen von Druck und Wärme mit Schließen des Werkzeugs, woraufhin in der Spritzgussform Funktionselemente mit unterschiedlichen Anforderungen an lokal geforderte mechanische Eigenschaften, wie im Falle von Dichtungsrahmen oder Rasthaken, in Mehrkomponenten-Spritzguss an die umgeformte Matrix angespritzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch lokales rückwärtiges Ausfräsen des Halbzeuges und Auffüllen der Ausfräsungen mit lichtleitendem Kunststoff.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Benetzen einer Oberfläche des Bauteiles in der Spritzgussform mit Lack durch die dieser Oberfläche benachbarte Werkzeughälfte hindurch.