DE102017115984A1 - Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes (1', 1"), wobei Verstärkungsfasern (2) mit einem Matrixmaterial (3), vorzugsweise einem Kunststoff-Matrixmaterial, bedeckt werden, so dass Verstärkungsfasern (2) gemeinsam mit dem Matrixmaterial (3) ein bahnförmiges Verstärkungstape (1', 1") bilden. Erfindungsgesmäß werden mehrere im Querschnitt nebeneinander mit einem Abstand (s) zueinander angeordnete Fasergruppen (8) aus Verstärkungsfasern (2) vorgesehen und die Fasergruppen (8) vom Matrixmaterial (3) zu einem zusammenhängenden Faserverbund (9) verbunden, wodurch im Querschnitt gesehen zwischen den einzelnen Fasergruppen (8) mindestens ein von Verstärkungsfasern (2) freier Zwischenbereich (10) aus Matrixmaterial (3) gebildet wird, so dass mittels Längsschnitt im Zwischenbereich (10) durch das bahnförmige Matrixmaterial (3) des Faserverbundes (9) vereinzelte Verstärkungstapes (1', 1") erzeugt werden können, deren seitliche Ränder (11) frei von Verstärkungsfasern (2) sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes, wobei Verstärkungsfasern mit einem Matrixmaterial, vorzugsweise einem Kunststoff-Matrixmaterial, bedeckt werden, so dass Verstärkungsfasern gemeinsam mit dem Matrixmaterial ein bahnförmiges Verstärkungstape bilden.
  • Verstärkungstapes, insbesondere mit unidirektional ausgerichteten Fasern (sog. UD-Tapes) kommen beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen vielfältig zum Einsatz, um z.B. Extrusionsprofile oder auch Spritzgussteile zur armieren. Im Stand der Technik werden hierzu für die unterschiedlichen Anwendungsfälle Tapes in unterschiedlichen Breiten, beispielsweise 15 mm oder 40 mm, bereitgestellt. Sofern andere Breiten als vorgefertigt angeboten gewünscht werden, werden die UD-Tapes in Bahnrichtung auf die gewünschte Breite geschnitten. Hierbei entsteht das Problem, dass durch den Schneidvorgang an den Seitenrändern der vereinzelten Tapes freie Endlosfasern hervortreten, welche im Folgeprozess zu erheblichen Problemen führen können (z.B. bei einer nachfolgenden Extrusion: kein sauberer Einzug in den Extrusionkopf möglich, keine saubere Bedeckung und damit Integration des Tapes in das Kunststoffmaterial des Extrusionprofils etc.). Diese Probleme können zu erheblichen Stillstandzeiten in den Folgeprozessen führen. Zudem kann das entsprechende Schneidwerkzeug durch die freigelegten Fasern am Rand mechanisch sehr stark belastet werden. Im Stand der Technik werden zum Schneiden in Bahnrichtung unterschiedliche Verfahren eingesetzt, beispielsweise Laser, Wasserstrahl, mechanisch rotierende Messer, Fräser etc. Beim Einsatz von Kontakt-Schneidwerkzeugen unterliegen diese durch die freien Fasern einem deutlich erhöhten Verschleiß. Eine andere Möglichkeit zur Bereitstellung aller gewünschten Breiten besteht darin, UD-Tapes in allen benötigten Breiten auf Rollen vorzuhalten. Dies erhöht jedoch die Materialhaltung erheblich und ist vor diesem Hintergrund - insbesondere sofern bestimmte Breiten nur in geringen Mengen benötigt werden - ebenfalls kostennachteilig.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, welches eine einfache Herstellung und anschließende Nutzung von Verstärkungstapes in unterschiedlichen Breiten ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mehrere im Querschnitt nebeneinander mit einem Abstand zueinander angeordnete Fasergruppen aus Verstärkungsfasern vorgesehen werden und die Fasergruppen vom Matrixmaterial zu einem zusammenhängenden Faserverbund verbunden werden, wodurch im Querschnitt gesehen zwischen den einzelnen Fasergruppen mindestens ein von Verstärkungsfasern freier Zwischenbereich aus Matrixmaterial gebildet wird, so dass mittels Längsschnitt im Zwischenbereich durch das bahnförmige Matrixmaterial des Faserverbunds vereinzelte Verstärkungstapes erzeugt werden können, deren seitliche Ränder frei von Verstärkungsfasern sind. Erfindungsgemäß werden also in dem aus den Fasergruppen und dem Matrixmaterial hergestellten bahnförmigen Material durch die beschriebene Beabstandung der Fasergruppen bevorzugte Trennbereiche erzeugt, in denen ein Längsschnitt ohne das Freilegen von Verstärkungsfasern mit entsprechend geringem Aufwand und somit einwandfreier Oberfläche im Randbereich der hierbei entstehenden Tapes möglich ist. So kann beispielsweise ein Verbund mit zehn nebeneinanderliegenden Fasergruppen hergestellt werden, die mit einem jeweils die Breite eines Zwischenbereiches definierenden Abstand nebeneinander angeordnet sind. Je nach gewünschter Tape-Breite können dann eine, zwei oder auch mehr Fasergruppen von dem eine „Mutterrolle“ bildenden Faserverbund durch Längsschnitt abgetrennt werden, wodurch eine individuelle Breiteneinstellung des Verstärkungstapes problemlos möglich ist. Sofern also beispielsweise die Gesamtbreite des zehn Fasergruppen aufweisenden Materials 100 mm beträgt, können somit problemlos Tape-Breiten von 10, 20, 30 mm etc. bereitgestellt werden, ohne dass hierfür eine unerwünschte Freilegung von Fasern in den entsprechenden Längsschnittbereichen in Kauf genommen werden muss. Erfindungsgemäß können also verschiedenste Breiten aus einer Mutterrolle mit mehreren nebeneinander angeordneten Fasergruppen bereitgestellt werden und die Lagerhaltung von UD-Tape-Rollen mit unterschiedlichen Breiten kann entfallen.
  • Zur Aufbringung des Matrixmaterials auf die Fasergruppen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Matrixmaterial als Folie, vorzugsweise beidseitig, auf die Fasergruppen aufgebracht, wobei die Folie eine Vollmaterial- oder aber auch eine Schaumstruktur aufweisen sowie mehrschichtig als Laminat ausgebildet sein kann. Z.B. können bei dieser Variante mindestens drei Folien verwendet werden, wobei im Querschnitt gesehen vorzugsweise mindestens zwei Fasergruppen übereinander angeordnet werden, zwischen denen mindestens eine Folie vorgesehen wird. Hierdurch ist es insbesondere möglich, auch Verstärkungstapes mit einer vergleichsweise großen Dicke homogen herzustellen. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, eine oder zwei Folien einzusetzen. Ebenso kann das Matrixmaterial als Vlies auf die Fasergruppen aufgebracht werden.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt es ebenso, dass das Matrixmaterial in flüssiger Form, z.B. als Imprägnierung, auf die Fasergruppen aufgebracht wird. In diesem Zusammenhang können beispielsweise die gesamten Fasergruppen mit dem Matrixmaterial imprägniert werden. Alternativ oder auch ergänzend hierzu kann es aber auch von Vorteil sein, die einzelnen Verstärkungsfasern der Fasergruppen vorab mit Matrixmaterial zu beschichten, z.B. zu imprägnieren, und dann beispielsweise durch Wärmebehandlung (z.B. Bestrahlung) und/oder Vernetzung und / oder Verpressung der Fasergruppen (z.B. in einem Walzenpaar) die Mutterrolle herzustellen. Im Rahmen der Erfindung liegt ferner auch eine Pulverimprägnierung sowie eine lösungsmittelhaltige Imprägnierung sowie natürlich auch eine Schmelzimprägnierung beispielsweise mittels einer Breitschlitzdüse. Auch die Aufbringung des Matrixmaterials in Form eines Pulvers liegt im Rahmen der Erfindung. Ferner kann das Matrixmaterial auch gasförmig auf die Fasergruppen aufgebracht werden, z.B. als Metall im Wege einer Aufdampfung.
  • Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand zwischen den im Querschnitt nebeneinander angeordneten Fasergruppen mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm. Der Abstand definiert folglich die Breite des Zwischenbereiches zwischen den einzelnen Fasergruppen.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass die Breite b der Fasergruppen unterschiedlich groß ist. So kann eine Fasergruppe mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm breiter sein als eine andere Fasergruppe des Faserverbunds und insbesondere mindestens doppelt so breit wie eine eine andere Fasergruppe des Faserverbunds sein. Hierdurch ist es möglich, problemlos weitere Varianten hinsichtlich der Breite des gewünschten Verstärkungstapes bereitzustellen. Sofern beispielsweise ein Faserverbund mit Fasergruppen mit einer Einzelbreite von abwechselnd 5 mm und 10 mm erzeugt werden, können hierdurch mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Fasergruppen im Faserverbund Tapebreiten in 5 mm-Schritten bereitgestellt werden.
  • Vorzugsweise sind die Verstärkungsfasern der einzelnen Fasergruppen allesamt unidirektional in Bahnrichtung ausgerichtet. Zweckmäßigerweise enthält das Matrixmaterial einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere PVC, PET, PA, PP oder PE, wobei das Matrixmaterial insbesondere aus einem oder mehreren der vorgenannten KunststoffMaterialien bestehen kann. Bei dem thermoplastischen Kunststoff kann es sich auch um einen Hochleistungs-Thermoplast, wie z.B. PEK, PEEK oder PPS handeln. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass das Matrixmaterial einen elastomeren oder duroplastischen Kunststoff enthält, bzw daraus besteht.
  • Die Verstärkungsfasern bestehen zweckmäßigerweise aus Glas und / oder Carbon und / oder Basalt und / oder Aramid und/oder Metall (z.B. Kupfer, Aluminium, Stahl) und / oder Kunststoff, wobei als Kunststoffmaterialien insbesondere PET und / oder PA und / oder PP zum Einsatz kommen können. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern mit einer zusätzlichen Funktionalität versehen und z.B. als Sensorfaser, Halbleiterfaser oder Hohlfaser wird.
  • Zweckmäßigerweise werden basierend auf dem wie vorstehend beschrieben hergestellten Faserverbund die Verstärkungstapes durch Längsschnitt im Zwischenbereich mittels Laser, Wasserstrahl, rotierenden Messern, Fräsern oder anderen geeigneten Verfahren vereinzelt.
  • Die vereinzelten Verstärkungstapes können insbesondere zur Armierung in Kunststoff-Spritzgussteile oder Kunststoff-Extrusionsprofile integriert werden. Aufgrund ihrer faserfreien Seitenränder können die erfindungsgemäß hergestellten Verstärkungstapes hierbei problemlos verarbeitet werden. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das vereinzelte Verstärkungstape mindestens zwei Fasergruppen enthält und bei der Integration in das Kunststoffbauteil in mindestens einem Zwischenbereich umgeformt, vorzugsweise geknickt, wird. Aufgrund der dort fehlenden Verstärkungsfasern ist der Zwischenbereich des vereinzelten Verstärkungstapes besonders dafür geeignet, um im Wege der nachfolgenden Verarbeitung umgeformt und/oder vernetzt zu werden, um dem Tape die gewünschte Form (z.B. Winkelform) zu verleihen.
  • Gegenstand der Erfindung sind auch Verstärkungstapes, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie vorstehend beschrieben hergestellt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
    • 1: ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes gemäß dem Stand der Technik;
    • 2: ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes,
    • 3: ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes und
    • 4, 5: erfindungsgemäß hergestellte Verstärkungstapes nach erfolgter Integration in Kunststoff-Extrusionsprofile.
  • Die 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes 1, wobei unidirektionale Verstärkungsfasern 2 mit einem Kunststoff-Matrixmaterial 3 vollständig bedeckt werden, so dass die Verstärkungsfasern 2 gemeinsam mit dem Matrixmaterial 3 ein bahnförmiges Verstärkungstape 1 bilden. Im Ausführungsbeispiel wird das Matrixmaterial 3 als Folie 4 jeweils beidseitig auf die Verstärkungsfasern 2 aufgebracht. In der Darstellung gemäß 1 werden drei Folien 4 verwendet, wobei im Querschnitt gesehen zwei Lagen Verstärkungsfasern 2 übereinander angeordnet werden, zwischen denen entsprechend auch eine Folie 4 aus Matrixmaterial 3 vorgesehen wird. Die Folien 4 werden mittels eines Imprägnierungsverfahrens auf die Verstärkungsfasern 2 aufgebracht, z.B. durch Walzen, Kalander oder dergleichen. Im Ergebnis erhält man ein breites Band 5 aus Matrixmaterial 3 und Verstärkungsfasern 2. Sofern nun eine bestimmte Breite eine Verstärkungstapes 1 gewünscht wird, die nicht der Gesamtbreite des Bandes 5 entspricht, muss dieses Band 5 in Bahnrichtung zwangsläufig in faserverstärkten Querschnittsbereichen 6 durchtrennt werden, wie in 1 angedeutet. Das fertig hergestellte einzelne Verstärkungstape 1 weist dementsprechend randseitig freiliegende Fasern 7 auf, welche einerseits beim Schnittprozess zu einem erhöhten Verschleiß des (nicht dargestellten) Schneidwerkzeuges führen und andererseits den nachfolgenden Verarbeitungsprozess der entsprechenden Verstärkungstapes 1 erheblich erschweren können.
  • In 2 ist ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes 1' dargestellt. Auch hier werden die Verstärkungsfasern 2 mit einem Matrixmaterial 3 aus Kunststoff vollständig bedeckt, so dass Verstärkungsfasern 2 gemeinsam mit dem Matrixmaterial 3 ein bahnförmiges Verstärkungstape 1' bilden können. Erfindungsgemäß sind mehrere im Querschnitt nebeneinander mit einem Abstand s zueinander angeordnete Fasergruppen 8 aus Verstärkungsfasern 2 vorgesehen und die Fasergruppen 8 werden vom Matrixmaterial 3 zu einem zusammenhängenden Faserverbund 9 verbunden. Hierbei werden im Querschnitt gesehen zwischen den einzelnen Fasergruppen 8 von Verstärkungsfasern 2 freie Zwischenbereiche 10 mit entsprechender Breite s aus Matrixmaterial 3 gebildet. Mittels Längsschnitt im Zwischenbereich 10 durch das bahnförmige Material des Faserverbunds 9 können sodann vereinzelte Verstärkungstapes 1' erzeugt werden, deren seitliche Ränder 11 frei von Verstärkungsfasern sind. Ein solches Schnittverfahren kann beispielsweise mittels Laser, Wasserstrahl, rotierenden Messern oder Fräser (nicht näher dargestellt) durchgeführt werden.
  • In 2 ist auch erkennbar, dass das Matrixmaterial 3 jeweils als Folie 4 beidseitig auf die Fasergruppen 8 aufgebracht wird, wobei im Ausführungsbeispiel drei Folien 4 verwendet werden und im Querschnitt gesehen zwei Fasergruppen 8 übereinander angeordnet sind, zwischen denen eine Folie 4 vorgesehen ist. Das Matrixmaterial 3 kann als folienartige Filmimprägnierung auf die Fasergruppen 8 aufgebracht werden. Der Abstand s zwischen den Fasergruppen 8 beträgt im Ausführungsbeispiel mindestens 1 mm, wobei der Abstand s zwischen den einzelnen Fasergruppen auch unterschiedlich groß gestaltet werden kann, je nach Anwendungserfordernis. Es ist insbesondere anhand der Darstellung in der 2 unten erkennbar, dass bei einem Längsschnitt durch den Faserverbund 9, durch den ein Verstärkungstape 1' mit gewünschter Breite b erzeugt werden kann, keine Verstärkungsfasern 2 an den Seitenrändern 11 der einzelnen Tapes 1' freigelegt werden. Ferner ist erkennbar, dass die Breite der einzelnen, nebeneinander angeordneten Fasergruppen 8 nicht identisch ist, sondern unterschiedlich groß. Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 gilt für die Breiten b der einzelnen Tapes 1' b2 > 2 b1 und b2 > b3 > b1. Die Verstärkungsfasern 2 der Fasergruppen 8 sind im Ausführungsbeispiel allesamt unidirektional in (zur Zeichnungsebene senkrechten) Bahnrichtung ausgerichtet. Das Matrixmaterial 3 besteht aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PVC, PET, PA, PP oder PE. Die Verstärkungsfasern 2 bestehen aus Glas und / oder Carbon und / oder Basalt und / oder Aramid und / oder Kunststoff, wobei als Kunststoffmaterialien insbesondere PET und / oder PA und / oder PP zum Einsatz kommen. Die vereinzelten Verstärkungstapes 1' mit der Breite b1 , b2 bzw. b3 können nachfolgend zur Armierung in Kunststoff-Spritzgussteile oder auch Kunststoff-Extrusionsprofile integriert werden.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird im Unterschied zur 2 das Matrixmaterial 3 im Wege einer Schmelzimprägnierung aus einer (nicht dargestellten) Breitschlitzdüse bereitgestellt. Das thermoplastische Matrixmaterial 3 durchdringt bei diesem Verfahren sehr innig die einzelnen Fasergruppen 8, so dass die Zwischenräume 12 zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern 2 in den Fasergruppen 8 sehr gut vom Matrixmaterial 3 ausgefüllt werden und hierdurch homogene, mechanisch hoch belastbare Verstärkungstapes 1' erzeugt werden können.
  • Die 4 zeigt erfindungsgemäß hergestellte, vereinzelte Verstärkungstapes 1', 1" nach erfolgter Integration in ein Kunststoff-Extrusionsprofil 13 mit einer Hohlkammer 14, wobei beide Tapes 1', 1" jeweils zwei Fasergruppen 8 enthalten und entsprechend jeweils einen Zwischenbereich 10 aufweisen. Während das eine Verstärkungstape 1' in gestreckter Form in das Kunststoff-Extrusionsprofil 13 integriert wurde, erfolgte bei der Integration des anderen Verstärkungstapes 1" eine Umformung durch Knicken im Zwischenbereich 10, so dass dieses eine Winkelform, vorzugsweise mit einem rechten Winkel α, aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Verstärkungstapes 1', 1" vom Kunststoff-Material des Extrusionsprofils 13 vollständig umschlossen.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 hingegen bildet das Verstärkungstape 1' einen außenliegenden Winkel des Kunststoff-Extrusionsprofils 13, welches ebenfalls mit einer Hohlkammer 14 ausgestattet ist.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von Verstärkungstapes (1', 1"), wobei Verstärkungsfasern (2) mit einem Matrixmaterial (3), vorzugsweise einem Kunststoff-Matrixmaterial, bedeckt werden, so dass Verstärkungsfasern (2) gemeinsam mit dem Matrixmaterial (3) ein bahnförmiges Verstärkungstape (1', 1") bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere im Querschnitt nebeneinander mit einem Abstand (s) zueinander angeordnete Fasergruppen (8) aus Verstärkungsfasern (2) vorgesehen werden und die Fasergruppen (8) vom Matrixmaterial (3) zu einem zusammenhängenden Faserverbund (9) verbunden werden, wodurch im Querschnitt gesehen zwischen den einzelnen Fasergruppen (8) mindestens ein von Verstärkungsfasern (2) freier Zwischenbereich (10) aus Matrixmaterial (3) gebildet wird, so dass mittels Längsschnitt im Zwischenbereich (10) durch das bahnförmige Matrixmaterial (3) des Faserverbundes (9) vereinzelte Verstärkungstapes (1', 1") erzeugt werden können, deren seitliche Ränder (11) frei von Verstärkungsfasern (2) sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (3) als Folie (4), vorzugsweise beidseitig, auf die Fasergruppen (8) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Folien (4) verwendet werden, wobei im Querschnitt gesehen mindestens zwei Fasergruppen (8) übereinander angeordnet werden, zwischen denen mindestens eine Folie (4) vorgesehen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (3) in flüssiger Form, insbesondere als Imprägnierung, auf die Fasergruppen (8) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s) mindestens 1 mm beträgt, vorzugsweise mindestens 2 mm.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Fasergruppen (8) unterschiedlich groß ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) der Fasergruppen (8) allesamt unidirektional in Bahnrichtung ausgerichtet sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (3) einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere PVC, PET, PA, PP oder PE, enthält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) aus Glas und / oder Carbon und / oder Basalt und / oder Aramid und/oder Kunststoff, vorzugsweise PET und/oder PA und/oder PP, bestehen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungstapes (1', 1") durch Längsschnitt im Zwischenbereich (10) vereinzelt werden, vorzugsweise mittels Laser, Wasserstrahl, rotierenden Messern, oder Fräser.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein vereinzeltes Verstärkungstape (1', 1") zur Armierung in ein Kunststoff-Spritzgussteil oder in ein Kunststoff-Extrusionsprofil (13) integriert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vereinzelte Verstärkungstape (1") mindestens zwei Fasergruppen (8) enthält und bei der Integration in das Kunststoffbauteil (13) in mindestens einem Zwischenbereich (10) umgeformt, vorzugsweise geknickt, wird.
  13. Verstärkungstapes, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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