DE102019100297A1

DE102019100297A1 - Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund Werkzeugkomponente und Faser-Kunststoff-Verbund Werkzeugkomponente

Info

Publication number: DE102019100297A1
Application number: DE102019100297.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bischoff
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-07-09
Also published as: US20210346967A1; WO2020144240A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente (1) mit einem Matrixsystem (6) mit eingebetteten Fasern, wobei als Faserkomponente PBO-Fasern (4) ausgewählt wird und als Matrixkomponente des Matrixsystems (6) eine duroplastische Kunststoffmatrix (8) verwendet wird (S1), die in dem ausgehärteten Faser-Kunststoff-Verbund (2) eine derartige Haftung an der PBO-Faser (4) aufweist, dass dem Matrixsystem (6) der Wärmeausdehnungskoeffizient der PBO-Fasern (4) aufgeprägt wird. Daneben betrifft die Erfindung eine tragende Werkzeugkomponente (1) eines spanabhebenden Werkzeugs in der Ausgestaltung eines Faser-Kunststoff-Verbund Pressformteils wobei die tragende Werkzeugkomponente (1) ein Matrixsystem (6) mit einer duroplastischen Matrixkomponente (8) und in diese eingebettete PBO-Fasern (4) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente mit einem Matrixsystem mit eingebetteten Fasern. Daneben betrifft die Erfindung eine (tragende) Werkzeugkomponente eines spanabhebenden Werkzeugs in der Ausgestaltung eines Faser-Kunststoff-Verbund Pressformteils.
Im Bereich des Maschinenbaus werden regelmäßig neue Werkstoffe eingesetzt. Dies trifft auch für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) zu. Dem Faser-Kunststoff-Verbund liegt das Wirkprinzip der Verbundkonstruktion zugrunde. Hierbei werden verschiedene Werkstoffe derart kombiniert, dass sich Eigenschaften ergeben, die die Einzelkomponenten alleine nicht erzielen können. Es ergibt sich ein Synergieeffekt von Faser und Matrixsystem. Hochfeste Fasern übernehmen dabei mechanische Lasten, welche auf den Faser-Kunststoff-Verbund wirken, während das Matrixsystem die Fasern in der vorgegebenen Position fixiert und stützt.
Unter dem Begriff Matrixsystem/Matrix wird allgemein eine Bettungsmasse verstanden, die die Fasern umgibt. Insbesondere verklebt das Matrixsystem die Fasern miteinander und leitet auch Kräfte von einer Faser zu der Nächsten über. Bei Beanspruchung quer zur Faserrichtung und Schubbeanspruchung fängt das Matrixsystem die mechanischen Lasten auf. Auch muss die Matrix die Fasern bei Druckbeanspruchung in Faserlängsrichtung gegen Schubknicken stützen und schützt die Fasern auch vor Umgebungseinflüssen, chemischen Reagenzien sowie vor energiereicher Strahlung.
Die Faser wiederum soll eine möglichst geringe Dichte und zudem, hinsichtlich eines Größeneffekts, einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen, sodass mit sich erhöhender Anzahl an Fasern die Wahrscheinlichkeit von festigkeitsreduzierenden Fehlstellen sinkt. In der Praxis kommen heutzutage üblicherweise Glasfasern, Polyethylenfasern oder Aramidfasern zum Einsatz.
Aufgrund vorstehend beschriebener Wechselwirkung, kommt der Auswahl der für ein bestimmtes Einsatzgebiet ausgewählten Kombination von den eingebetteten Fasern sowie des passenden Matrixsystems, eine entscheidende Bedeutung zu. Neben einer guten Haftung zwischen dem ausgewählten Matrixsystem und den ausgewählten Fasern, muss der Faser-Kunststoff-Verbund weitere Anforderungen erfüllen, um für eine Verwendung in einem spanabhebenden Werkzeug geeignet zu sein. Der Faser-Kunststoff-Verbund, der als Material einer tragenden Werkzeugkomponente, z.B. eines Werkzeuggrundkörpers oder eines Elements eines Werkzeuggrundkörpers wie etwa einer Trägerplatte, einem Spannabschnitt oder einem Trägerabschnitt, verwendet wird, muss insbesondere an hohe Torsionsmomente und Schwingungsbelastungen sowie schnell wechselnde thermische Belastungen bzw. Randbedingungen angepasst sein und nicht nur einer sondern allen diesen Anforderungen gleichermaßen gewachsen sein.
Insbesondere bei einem Einsatz der tragenden Werkzeugkomponente in einem Rotationswerkzeug zur spanenden Bearbeitung von großen Innendurchmessern stellt sich das Problem, spanabhebend mit hoher Präzision zu arbeiten, ohne dabei aufgrund von thermischen Änderungen die Maßhaltigkeit des Werkzeugs negativ zu beeinflussen. Auch muss beachtet werden, dass sich das Gewicht des Werkzeugs bzw. der tragenden Werkzeugkomponente nicht negativ auf die Handhabung und Maßhaltigkeit des Werkzeugs auswirkt, und dennoch eine Herstellung mit verfügbaren Materialien wirtschaftlich noch realisierbar ist.
Bislang blieben Versuche, tragende Werkzeugkomponenten mit Faser-Kunststoff-Verbund als Material bzw. mit in das Matrixsystem eingebetteten (Hochleistungs-)Fasern herzustellen erfolglos.
Stand der Technik
Die DE 10 2017 118 176 A1 offenbart ein Verfahren sowie eine Formvorrichtung, um einen Formteil bzw. ein Fahrzeugteil zu formen. Hierbei wird eine Formvorrichtung bereitgestellt, welche ein erstes und zweites Formpressvorrichtungsteil aufweist, die zusammen einen geschlossenen Formhohlraum bilden, um eine eingelegte Vorform mittels Druckbeaufschlagung und Erwärmung auszuhärten. Für den Energieeintrag wird ein Ultraschallsender verwendet. Das hergestellte Fahrzeugteil hat jedoch andere Anforderungen, als dies eine tragende Werkzeugkomponente für ein spanabhebendes Rotationswerkzeug hat. Das für ein Fahrzeugteil verwendete Vorformmaterial ist jedoch für die Anwendung in einer tragenden Werkzeugkomponente eines Rotationswerkzeugs mit entsprechenden Anforderungen an eine mechanische Belastbarkeit, Beständigkeit, Langlebigkeit und Maßhaltigkeit geeignet. Im Bereich der Werkzeugherstellung ist es aus der DE 10 2010 036 874 A1 allerdings schon bekannt, FKV-Komponenten als Schneidenträger oder als Schneideneinsatz einzusetzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente bereitzustellen, mit dem es gelingt tragende Werkzeugkomponenten mit erheblich vergrößertem Bauvolumen einfach und effizient herzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine solche tragende Werkzeugkomponente bereitzustellen, die hinsichtlich des Bauvolumens nicht mehr beschränkt ist, sowie eine solche (tragende) Werkzeugkomponente zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Werkzeugkomponente durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst, das eine einfache und effiziente Herstellung der Werkzeugkomponente erlaubt und einen effizienten Einsatz der Werkzeugkomponente in einem Werkzeug zulässt, sich durch eine hohe Haltbarkeit und Langlebigkeit sowie durch eine sehr gute Handhabung auszeichnet, kostengünstig herstellbar ist und dennoch den Anforderungen einer hohen mechanischen Belastbarkeit und einer hohen Maßhaltigkeit gewachsen ist.
Als Faserkomponente des Faser-Kunststoff-Verbundes wird PBO-Fasern ausgewählt wird und als Matrixkomponente des Matrixsystems wird eine duroplastische Kunststoffmatrix verwendet bzw. ausgewählt, die in dem ausgehärteten Faser-Kunststoff-Verbund eine derartige Haftung an der PBO-Faser aufweist, dass dem Matrixsystem der Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder die Zugfestigkeit der PBO-Fasern aufgeprägt wird. Das Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass eine Faser-Matrix Kombination zum Einsatz kommt, die an das Einsatzgebiet der Werkzeugkomponente optimal angepasst ist.
Im Vergleich zu Aramidfasern zeichnen sich PBO-Fasern durch eine wesentlich höhere Steifigkeit der Faser, eine wesentlich geringere Feuchtigkeitsaufnahme, und einer wesentlich besseren Stabilität gegenüber UV-Licht aus. Darüber hinaus besitzt die PBO-Faser im Vergleich zu anderen polymeren Hochleistungsfasern, welche z.B. unter dem Markennamen „Dyneema“ bekannt ist, eine sehr gute Faser-Matrix-Haftung, insbesondere gegenüber einer duroplastischen Kunststoffmatrix.
Durch den Schritt der definierten Auswahl der PBO-Fasern sowie durch den Schritt der definierten Auswahl der duroplastischen Kunststoffmatrix als Matrixkomponente des Matrixsystems, die eine derart ausreichende Haftung an den PBO-Fasern aufweist, dass die PBO-Fasern fest mit dem Matrixsystem gehalten werden, wird erreicht, dass sich wesentliche Eigenschaften der PBO-Fasern, insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient der PBO-Fasern, auf den Faser-Kunststoff-Verbund übertragen lassen und damit die „Gesamt“-Eigenschaft des Faser-Kunststoff-Verbundes entscheidend durch die PBO-Faser bestimmt wird. So kann insbesondere erreicht werden, dass durch den Schritt der Auswahl der speziellen Komponenten auch bei großen Bauvolumen eine extrem gute Maßhaltigkeit bei thermischer Beanspruchung gewährleistet werden kann. Der speziell ausgewählte Faser-Kunststoff-Verbund ist damit den wichtigsten Anforderungen des Einsatzgebiets einer Werkzeugkomponente gewachsen, selbst wenn diese sehr große Abmessungen aufweist.
Duroplaste als Komponente des Matrixsystems weisen Makromoleküle bestehend aus mehrfunktionellen Monomeren auf, wobei durch chemische Vernetzungsreaktion (Härtung) der Feste Formstoff entsteht. Aufgrund der engen und räumlichen Netzstruktur besitzen sie einen hohen Elastizitätsmodul, eine geringe Kriechneigung sowie eine sehr gute thermische und chemische Beständigkeit, weswegen sie nur schwach quellbar und nicht löslich sind. Auch ist ihre Verarbeitung relativ unproblematisch. Daher sind sie als Matrixkomponente optimal für einen Einsatz in einem spanabhebenden Werkzeug geeignet.
Die PBO-Fasern (Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole) bzw. Poly[Benz(1,2-D:5,4-D')bisoxazole-2,6-diyl-1,4-phenylen])-Fasern bzw. poly-p-phenylenbenzobisoxazol-Fasern, auch unter dem Markennamen Zylon® bekannt, hingegen ähneln in ihren Eigenschaften teilweise den Aramidfasern, weisen jedoch einen sehr starken negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von unter -6E-6 1/K auf. Durch die Einbettung der PBO-Fasern in das duroplastische Matrixsystem wird ein Faser-Kunststoff-Verbund mit einem besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, um als Material einer Werkzeugkomponente Verwendung, insbesondere einer Werkzeugkomponente, bei der die Schneiden auf einem großen Wirkdurchmesser liegen, zu finden. Das E-Modul und die Zugfestigkeit der PBO-Fasern sind besonders hoch, wobei die Dichte vergleichbar zu anderen Fasern ist, wodurch die PBO-Fasern mechanischen Belastungen gewachsen sein und dennoch eine gute Handhabbarkeit gewährleisten. Selbst großvolumige Werkzeugkomponenten können demnach maßgeblich aus Faser-Kunststoff-Verbund bestehen, wodurch Werkzeuge mit großen Nenndurchmesser und stark verringertem Gewicht herstellbar sind. Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit, wegen dem kleinen Gewicht selbst große Werkzeuge auf einem relativ kleinen Spannabschnitt, insbesondere in Form eines Hohlschaftkegels (HSK) mit kleinem Durchmesser, einzuspannen. Dies hat den Vorteil, dass Spindeln mit kleineren Durchmessern für die Aufnahme des Werkzeugs verwendet werden können, so dass die Spindel nicht aufwendig und kostenintensiv angepasst werden muss und bestehende bzw. übliche Spindeln selbst für spanabhebende Rotationswerkzeuge mit großem Bauvolumen zur Bearbeitung von großen Innendurchmessern verwendet werden können. Insbesondere wird ein Kippmoment des mit der Werkzeugkomponente ausgestatteten Werkzeugs durch die Gewichtsminimierung herabgesetzt. Die PBO-Faser verfügt zudem über ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit. Sie weist eine geringe Feuchtaufnahme auf, weist eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren und Basen auf sowie eine gute Kompatibilität mit unterschiedlichen Fluiden auf, welche bei einem Betrieb eines spanabhebenden Werkzeugs auftreten können.
Das duroplastische Matrixsystem ist für eine Einbettung der PBO-Fasern bestens geeignet. Es hat sich gezeigt, dass die Haftung zwischen dem Matrixsystem und der PBO-Faser besonders stark ausgeprägt ist, wodurch die PBO-Fasern ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten entscheidend dem Matrixsystem aufprägen können, sodass letztlich der gesamte Faser-Kunststoff-Verbund einen angepassten, sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und dennoch den Anforderungen an auftretende mechanische Belastungen angepasst ist. Die hohe Steifigkeit der PBO-Faser (ca. 270 GPa) lässt diese im Verbund mit dem Matrixsystem den thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten dominieren. Die Wärmeausdehnung des Faser-Kunststoff-Verbundes liegt damit deutlich unter dem Wert für zum Beispiel Kohlenstofffaserverstärkten Verbunden.
Mit anderen Worten muss die ausgewählte (PBO-)Faser neben einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auch über eine hohe Steifigkeit (insbesondere über 200GPa) verfügen, damit die Eigenschaften (der (PBO-)Faser) in hinreichendem Maß auf das Matrixsystem übertragen werden kann. Gleichzeitig muss ein gewisses Maß an Faser/Matrix-Haftung erreicht werden und die (PBO-)Faser benötigt eine hohe Zugfestigkeit, damit sie durch die entstehenden Spannungen nicht reißt. All diese Anforderungen erfüllt die PBO-Faser. Bei einer Temperaturerhöhung zieht sich die PBO-Faser aufgrund des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung bzw. in axialer Richtung zusammen, während das Matrixsystem sich ausdehnt. In der PBO-Faser entstehen so Zuglasten, in dem Matrixsystem Drucklasten. Durch die über achtzigfache Steifigkeit der PBO-Faser gegenüber dem Matrixsystem wird sich das Matrixsystem mit seiner Wärmeausdehnung an die PBO-Fasern anpassen.
Die PBO-Fasern werden aktuell einzig von dem Unternehmen Toyobo Co., LTD. mit den Bezeichnungen ZYLON® AS und ZYLON® HM angeboten.
Die (Hoch-Modul) PBO-Faser mit der Bezeichnung ZYLON® HM eignet sich besonders für die Auswahl als Faserkomponente und wird in dieser Anmeldung allgemein als der Begriff PBO-Faser definiert. Mit anderen Worten sind die Begriffe PBO-Faser und ZYLON® HM in der Anmeldung Synonyme.
Das Datenblatt zu den PBO-Fasern mit dem Titel „PBO FIBER ZYLON®“ mit dem Zusatz „Technical Information (Revised 2005.6)“ in Form einer PDF-Datei mit 18 Seiten wurde Ende 2018 unter -http://www.toyobo-global.com/seihin/kc/pbo/zylon-p/busseip/technical.pdf abgerufen. In Punkt „1. Basic Properties“ werden die wichtigsten Eigenschaften von den PBO-Fasern aufgeführt:

Es gibt zwei Arten von PBO-Fasern, AS (as spun) und HM (high modulus / Hoch-Modul).

	ZYLON® AS	ZYLON® HM
Filament decitex	1,7	1,7
Dichte (g/cm^3)	1,54	1,56
Zugfestigkeit (cN/dtex)	37	37
(GPa)	5,8	5,8
(kg/mm^2)	590	590
Zugmodul (cN/dtex)	1150	1720
(GPa)	180	270
(kg/mm^2)	18000	28000
Bruchdehnung (%)	3,5	2,5
Feuchtigkeitsaufnahme (%)	2,0	0,6
Zersetzungstemperatur (°C)	650	650
LOI	68	68
Wärm eausdehnungskoeffizient	-	-6×10^(-6)

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht werden nachstehend erläutert.
Vorzugsweise kann für die verwendete duroplastische Kunststoffmatrix Vinylesterharz, Epoxidharz, Phenolharz und/oder ungesättigter Polyesterharz als Matrixkomponente ausgewählt werden. Der Schritt der Auswahl der vorstehenden Matrixkomponenten in dem Verfahren, dient der weiteren Spezifizierung besonders geeigneter Matrixkomponenten für die Werkzeugkomponente. Ungesättigter Polyesterharz ist im Vergleich zu anderen Matrixharzen kostengünstig und verfügt über gute Chemikalienbeständigkeit, welche in einem Einsatz in einem Rotationswerkzeug vonnöten sind. Da eine rasche Härtung problemlos möglich ist, eignet sich das ungesättigte Polyesterharz auch zur Serienfertigung. Auch ist ein Feuchteeinfluss auf insbesondere die Erweichungstemperatur vernachlässigbar. Epoxidharze weisen eine ausgezeichnete Klebe- und Haftungseigeschaft auf und es werden zudem, aufgrund der guten Faser-Matrix-Haftung und den geringen Schwindungseigenspannungen, sehr gute Ermüdungsfestigkeiten erreicht. Vinylesterharze sind kostengünstig und weisen ebenfalls eine gute Ermüdungsfestigkeit auf. Allen gemein ist, dass sie eine besonders gute Faser-Matrix-Haftung mit den PBO-Fasern aufweisen, weswegen in dem Verfahren zumindest eine der vorstehend genannten Matrixkomponenten ausgewählt werden kann.
Es konnte durch Versuche gezeigt werden, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Volumenanteil der PBO-Fasern an dem Faser-Kunststoff-Verbund gleich oder größer als 40% gewählt wird. Die Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbunds hängen neben den Komponenten an sich auch von deren Anteilen im Verbund ab. Für die Fertigung der Werkzeugkomponente stellt der Anteil einen wichtigen, gezielt einstellbaren Parameter dar, wobei ein Volumenanteil der PBO Fasern von über 40 % sowohl fertigungstechnisch als auch produkttechnisch von Vorteil ist. Vorzugsweise kann der Volumenanteil von den PBO-Fasern an dem Faser-Kunststoff-Verbund kleiner oder gleich 70%, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 60% sein. Damit ist sichergestellt, dass die PBO-Fasern noch sicher in dem Matrixsystem gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Eigenschaften der Werkzeugkomponente in weiten Bereichen durch die Zusammenstellung und/oder die Orientierung der Fasern steuerbar bzw. konfigurierbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren folgende Schritte aufweisen: - Bereitstellen des Matrixsystems mit der duroplastischen Kunststoffmatrix als Matrixkomponente; - Zusammenstellen von PBO-Fasern als Faserkomponente mit ausgewählter Längenverteilung, die an das Einsatzgebiet der Werkzeugkomponente angepasst ist; und - Zugeben der PBO-Fasern zu dem Matrixsystem in einer an das Einsatzgebiet ausgewählten Menge, so dass ein Halbzeug mit dem unausgehärtetem Matrixsystem und den PBO-Fasern gebildet wird.
Durch den Schritt der Zusammenstellung der PBO-Fasern kann in dem Verfahren noch gezielter eine Eigenschaft des Faser-Kunststoff-Verbundes eingestellt und der Faser-Kunststoff-Verbund an das Einsatzgebiet der Werkzeugkomponente angepasst werden. So können beispielsweise, je nach Einsatzgebiet der Werkzeugkomponente, lange PBO-Fasern und kurze PBO-Fasern kombiniert werden, wobei die langen Fasern beispielsweise gerichtet eingebettet werden und die kurzen Fasern ungeordnet hinzugegeben werden, um eine noch bessere Festigkeit und Maßhaltigkeit der Werkzeugkomponente zu erreichen. Zusätzlich können auch bestimmte Längenbereiche der Längenverteilung der PBO-Fasern vorbestimmt werden. Neben der Längenverteilung ist auch die zugegebene Menge der PBO-Fasern für das hergestellte Halbzeug, was später als Werkzeugkomponente Verwendung finden soll, entscheidend. Als Halbzeuge werden mit der Ausführungsform des Verfahrens duroplastische SMC (Sheet Moulding Compound)- bzw. BMC(Bulk moulding Compound)-Formmassen hergestellt, die auf Heiß-Pressverarbeitung bzw. auch Spritzgussverfahren abgestimmt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner die Schritte aufweisen: Verpressen des Halbzeugs in einer beheizbaren Form, und Erwärmen und Aushärten des Halbzeugs zu einem Formkörper der Werkzeugkomponente. Diese Schritte werden angewandt, um das Halbzeug in Form einer SMC- oder BMC-Formmasse vollständig auszuformen und auszuhärten, um das Halbzeug schließlich als Werkzeugkomponente einsetzen zu können. Es hat sich gezeigt, dass es beim Verpressen des Halbzeugs gelingt, die Benetzung der PBO-Fasern durch die Matrix noch weiter zu steigern, wodurch die PBO-Faser noch wirksamer zur Erhöhung der Festigkeit und zur Verringerung der thermischen Ausdehnung eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise kann in dem Schritt des Bereitstellens des Matrixsystems die unausgehärtete Matrixschicht auf eine Trägerfolie aufgebracht werden, welche mittels eines Förderbandes weiter transportiert wird. Um die Halbzeuge bzw. die Werkzeugkomponenten in Serie zu produzieren, weist das Verfahren vorzugsweise ein Förderband auf, welches die unausgehärtete Matrixschicht zu der nächsten Arbeitsstation verbringt, an der der nächste Verfahrensschritt ausgeführt wird. Um eine Barriere zwischen dem Förderband und der in der Regel klebrigen Matrixschicht zu schaffen, wird die Matrixschicht vorzugsweise auf eine dünne Trägerfolie, insbesondere eine dünne Trägerfolie aus Polyethylen (PE) aufgebracht. Die Trägerfolie hat keinen maßgeblichen Einfluss auf den Faser-Kunststoff-Verbund.
Es ist von Vorteil, wenn in dem Schritt des Zugebens der PBO-Fasern, die abgelängten PBO-Fasern auf die unausgehärtete Matrixschicht des Matrixsystems aufgebracht, insbesondere aufgerieselt, werden. Die PBO-Fasern können gerichtet und/oder ungerichtet auf die unausgehärtete Matrixschicht aufgebracht werden. Hierdurch ergibt sich eine Schicht an PBO-Fasern bzw. eine PBO-Faser-Schicht, die sich auf Matrixschicht befindet und ggf. in diese eindringt. Lässt man die abgelängten PBO-Fasern auf die Matrixschicht ungeordnet aufrieseln bzw. herabrieseln so ergibt sich eine Schicht an PBO-Fasern, die in der Ebene eine (zweidimensional) isotrope Werkstoffeigenschaft aufweist. Vorzugsweise können iterativ die Schritte des Aufbringens des Matrixsystems auf die PBO-Faser-Schicht und des Zugebens einer weiteren PBO-Faser-Schicht, wiederholt werden, beispielsweise seriell.
Es ist ferner von Vorteil, wenn nach dem Schritt des Zugebens von PBO-Fasern, insbesondere mit ungeordnetem Aufrieseln von PBO-Fasern, auf die auf die Trägerfolie aufgebrachte unausgehärtete Matrixschicht, auf die, insbesondere aufgerieselten, PBO-Fasern eine weitere Matrixschicht und auf die weitere Matrixschicht eine weitere Trägerfolie aufgebracht wird. Hierdurch entsteht eine Lagenkonfiguration, bei der die Schicht der PBO-Fasern mittig zwischen den Matrixschichten eingefasst ist. Die äußeren Seiten dieser Lagenkonfiguration werden durch die Trägerfolien gegenüber der Umgebung abgegrenzt, so dass das unausgehärtete Matrixsystem nicht ungewollt verklebt. Die Trägerfolie hat wenig Volumen und ist so gewählt, dass der Faser-Kunststoff-Verbund hinsichtlich der Eigenschaften nicht maßgeblich beeinflusst wird.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner den Schritt aufweisen, dass das Halbzeug mittels einer Kompaktierungseinheit verpresst und kompaktiert wird. Um die PBO-Fasern noch besser in das Matrixsystem einzubetten und etwa Lufteinschlüsse zu entfernen, wird das Halbzeug mittels Pressdrucks, beispielsweise zwischen zwei Presswalzen der Kompaktierungseinheit hindurchlaufend, zusammengedrückt und gewalkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die PBO-Fasern in einer Mischung von Fasern bzw. einer Fasermischung zugegeben werden. Die PBO-Fasern liegen bevorzugt mit einer Länge zwischen 0,1mm und 80mm, besonders bevorzugt zwischen 1mm und 60mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 10mm und 50mm vor. Insbesondere Langfasern eignen sich besonders gut für eine Herstellung von Werkzeugkomponenten, die eine große radiale Erstreckung aufweisen, so dass fertigungstechnisch als auch produkttechnisch Zentrifugalkräfte und Werkzeug-Reaktionskräfte zuverlässig und weitgehend verformungsfrei aufgenommen werden und thermisch bedingte Lageänderungen der Werkzeugschneiden beschränkt bleiben.
Insbesondere kann die Fasermischung so zusammengestellt werden, dass die Fasermischung neben einer ersten Länge oder einer Normalverteilung einer ersten Länge der PBO-Fasern zusätzlich eine zweite Länge oder eine Normalverteilung einer zweiten Länge der PBO-Fasern aufweist. Mit den zumindest zwei Längen bzw. Normalverteilung von zwei Längen können je nach Anwendungsfall unterschiedliche Anforderungen der Werkzeugkomponente abgedeckt werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn in dem Schritt des Zusammenstellens von PBO-Fasern, zumindest ein PBO-Faser-Roving in Form eines flachen Bands mit einem Schneidwerkzeug zugeschnitten (/bearbeitet) wird. So kann aus einem „Endlos“-PBO-Faser-Roving, insbesondere von der Rolle, mittels des Schneidwerkzeugs die gewünschte Längenverteilung der PBO-Fasern zugeschnitten werden. Als PBO-Faser-Roving wird ein Bündel aus parallel angeordneten PBO-Fasern, genauer gesagt aus PBO-Fasern in Form von Filamenten (Endlosfasern) bezeichnet. Ein PBO-Faser-Roving kann dabei vorzugsweise 1000 (1k), 3000 (3k), 6000 (6k), 12000 (12k), 24000 (24k) oder 50000 (50k) an parallelen PBO-Fasern aufweisen. Um eine gleichmäßige Ausbildung der Materialeigenschaften zu gewährleisten, liegt die Zahl der parallelen PBO-Fasern in dem PBO-Faser-Roving vorzugsweise zwischen 1000 (1k) und 12000 (12k).
Besonders bevorzugt kann das Verfahren die Schritte aufweisen: - Umformen eines PBO-Fasern-Rovings mit kreisförmigem oder ellipsenförmigem Querschnitt (über Abzugsvorrichtungen und Umlenkrollen) zu dem PBO-Fasern-Roving in Form eines flachen Bands; und - Zuschneiden des PBO-Faser-Rovings in PBO-Faser-Roving-Schnitzel mit vorbestimmter Längenverteilung oder Länge. Flache PBO-Faser-Schnitzel sind besonders gut geeignet, um schichtweise in das Matrixsystem eingebettet zu werden. Je flacher die PBO-Faser-Schnitzel sind, desto geringer fällt ein Volumen in dem Faser-Kunststoff-Verbund aus, in dem geometrisch bedingt keine PBO-Faser-Schnitzel eingebracht werden können. Man kann auch sagen, dass der PBO-Faser-Schnitzel in Form eines bandförmigen Schnipsels ist. Ein möglichst flaches PBO-Faser-Schnitzel 12 ist essentiell für die Qualität des Faser-Kunststoff-Verbundes. Dieser ist durchzogen von Kreuzungspunkten und Überlappungen einzelner PBO-Faser-Schnitzel. Nur durch sehr flache PBO-Faser-Schnitzel ist ein annähernd gleichmäßiger und hoher Volumengehalt der PBO-Fasern zu erreichen, der die (mechanischen) Eigenschaften bestimmt.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich der Bereitstellung einer tragenden Werkzeugkomponente eines spanabhebenden Werkzeugs in der Ausgestaltung eines Faser-Kunststoff-Verbund Pressformteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die tragende Werkzeugkomponente ein Matrixsystem mit einer duroplastischen Matrixkomponente und in diese eingebettete PBO-Fasern aufweist. Der spezielle Faser-Kunststoff-Verbund mit einer duroplastischen Matrixkomponente und den PBO-Fasern ist, wie bereits vorstehend zu dem Verfahren erläutert, besonders als Material für einen Einsatz als Werkzeugkomponente in einem Werkzeug geeignet. Die so konfigurierte und zur Verfügung gestellte Werkzeugkomponente weist in einem spanabhebenden Werkzeug eine besonders hohe Maßhaltigkeit auf.
Gemäß einer Ausführungsform können die in das Matrixsystem eingebetteten PBO-Fasern derart ungeordnet vorliegen, dass eine isotrope Werkstoffeigenschaft der tragenden Werkzeugkomponente zumindest in einer Ebene erzielt wird. So kann die Werkzeugkomponente beispielsweise bei einer mechanischen Belastung in radialer Richtung diese homogen aufnehmen und es wird in der Werkzeugkomponente eine Richtung begrenzter Belastbarkeit vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Werkzeugkomponente aus verpressten und ausgehärteten Schichten aus Halbzeugen mit Matrixsystem und PBO-Fasern gebildet sein. Um eine besonders stabile Werkzeugkomponente mit entsprechender Dicke zur Verfügung zu stellen, sind mehrere Schichten von Halbzeugen, die jeweils das Matrixsystem und die PBO-Fasern aufweisen, verpresst und ausgehärtet. Insbesondere können die einzelnen Schichten aus Halbzeugen unterschiedlich gestaltet sein. Beispielsweise kann eine erste Schicht gerichtete PBO-Fasern mit einem ersten Winkel aufweisen und eine zweite Schicht gerichtete PBO-Fasern mit einem zweiten Winkel aufweisen. Auch können alle Schichten gleich ausgeführt bzw. eingestellt sein. Ebenso ist denkbar, dass eine Kombination aus Schichten mit gerichteten PBO-Fasern und Schichten aus in einer Ebene liegenden PBO-Fasern mit zweidimensional isotropen Eigenschaften gestaltet wird.
Vorzugsweise können die in das Matrixsystem der tragenden Werkzeugkomponente eingebetteten PBO-Fasern eine Faserlänge zwischen 0,1mm und 80mm, besonders bevorzugt zwischen 10mm und 50mm aufweisen.
Insbesondere kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der tragenden Werkzeugkomponente in zumindest einer Richtung, vorzugsweise einer tragenden Ebene, vorzugsweise in zwei Richtungen oder in eine tragende Ebene, besonders bevorzugt in allen drei Richtungen, kleiner oder gleich 2ppm/K, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 ppm/K, sein. Diese obere Grenze des Wärmeausdehnungskoeffizienten sichert eine Maßhaltigkeit des Werkzeugs selbst bei großen thermischen Beanspruchungen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die tragende Werkzeugkomponente eine Trägerplatte, ein Hohlschaftkegel, eine Stützplatte oder ein Trägerabschnitt des spanabhebenden Werkzeugs sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die tragende Werkzeugkomponente eine Trägerplatte sein, die eine plattenförmige Grundstruktur sowie vorzugsweise zumindest eine Durchgangsöffnung quer zu der plattenförmigen Grundstruktur aufweist, um mit anderen Werkzeugkomponenten verschraubt und/oder auf diese formschlüssig aufgesteckt und/oder stoffschlüssig verbunden zu werden.
Vorzugsweise kann die tragende Werkzeugkomponente gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein.
Vorzugsweise kann das Matrixsystem derart gewählt werden, dass die Erweichungstemperatur / Wärmeformbeständigkeitstemperatur des ausgehärteten Matrixsystems gleich oder größer als 50° Celsius ist. Die untere Grenze der Wärmeformbeständigkeitstemperatur stellt die Minimalanforderung der Werkzeugkomponente dar, um den thermischen Belastungen, insbesondere aufgrund von übertragener Reibungswärme, die bei einem Einsatz auftreten, gewachsen zu sein.
Vorzugsweise können in dem Schritt des Zugebens der PBO-Fasern, die PBO-Fasern derart zugegeben werden, dass die PBO-Fasern in der gemischten Masse ungeordnet vorliegen, um eine dreidimensionale isotrope Werkstoffeigenschaft der Werkzeugkomponente zu erzielen. So kann auch insbesondere fast das gesamte Werkzeug, bis auf die Schneiden etwa, als Werkzeugkomponente ausgebildet sein, ohne dass eine bestimmte zu beachtende Orientierung der PBO-Fasern die Gestaltung der Werkzeugkomponente einschränken würde.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente einer bevorzugten Ausführungsform,
2 eine perspektivische Ansicht einer an ein erfindungsgemäßes Verfahren angepassten Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ein Faser-Matrix-Halbzeug hergestellt wird;
3 eine Draufsicht auf eine gemäß dem Verfahren hergestellte Faser-Kunststoff-Verbund Schicht;
4 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Anschliffs einer nach dem Verfahren hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund Schicht mit einer ersten Vergrößerung, wobei die Ebene des Anschliffs parallel zur Faser liegt,
5 die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der 4 mit einer zweiten Vergrößerung,
6 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Anschliffs einer nach dem Verfahren hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund Schicht mit einer ersten Vergrößerung, wobei die Ebene des Anschliffs senkrecht zur Faser liegt,
7 die Querschnittsansicht der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme aus 6 in einer zweiten Vergrößerung,
8 und 9 eine Längsschnittansicht bzw. eine vergrößerte Detailansicht eines Faser-Matrix-Halbzeugs,
10 bis 11 eine Längsschnittansicht bzw. vergrößerte Detailansicht der fertigen, tragenden Werkzeugkomponente,
12 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen tragenden Werkzeugkom ponente,
13 eine schematische Querschnittsansicht eines PBO-Faser-Rovings mit elliptischer Querschnittskontur, der in einen PBO-Faser-Roving mit flacher Bandstruktur umgeformt wird,
14 eine erfindungsgemäße tragende Werkzeugkomponente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
15 die tragende Werkzeugkomponente aus 14, die in ein Rotationswerkzeug eingesetzt ist.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt in einem Flussdiagramm die einzelnen Schritte eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bzw. einer Variante zur Herstellung einer tragenden Werkzeugkomponente 1.
In einem ersten Schritt S1, als Start des Verfahrens, werden für einen Faser-Kunststoff-Verbund 2 (siehe 2) PBO-Fasern 4 (ZYLON® HM) als Faserkomponente sowie Epoxidharz als duroplastische Matrixkomponente 8 eines Matrixsystems 6 ausgewählt. Hiernach schreitet das Verfahren zu einem Schritt S2 voran, in welchem das Matrixsystem 6 bereitgestellt wird. Das Matrixsystem 6 weist dabei als eine (duroplastische) Matrixkomponente 8 Epoxidharz auf. Das Matrixsystem 6 kann dabei nur Epoxidharz als duroplastische Matrixkomponente 8 aufweisen oder aber auch weitere Matrixkomponenten wie etwa Vinylestherharz oder ungesättigte Polyestherharze.
Der Schritt S2 Bereitstellen des Matrixsystems 6 umfasst einen Schritt S2.1 Bereitstellen einer Trägerfolie 10 (siehe 2) sowie einen Schritt S2.2, in welchem das unausgehärtete Matrixsystem 6 auf die Trägerfolie 10 aufgebracht wird.
Nach dem Schritt S2 folgt der Schritt S3 Zusammenstellen von PBO-Fasern mit an das Einsatzgebiet angepasster Längenverteilung. In diesem Schritt S3 wird zunächst in einem (ersten Unter-)Schritt S3.1 zumindest ein PBO-Faser-Roving 11 mit kreisförmigem oder ellipsenförmigem / elliptischem Querschnitt bereitgestellt. Unter einem (PBO-Faser-) Roving wird ein Bündel an parallelen (PBO-) Fasern in Form von Endlosfasern verstanden. Der PBO-Faser-Roving 11 wird dabei von einer Spule (nicht dargestellt) abgewickelt. Dabei werden sogenannte Primärfasern und keine recycelten Sekundärfasern verwendet. Dieser PBO-Faser-Roving 11 wird hiernach in einem Schritt S3.2 zu einem möglichst flachen, bandförmigen PBO-Faser-Roving 11' umgeformt, um, wie nachstehend beschrieben, eine möglichst gute Faser-Matrix-Haftung ohne unvorteilhafter Hohlräume zu erzielen. Beispielsweise kann der PBO-Faser-Roving 11 über Abzugsvorrichtungen und Umlenkrollen geführt und möglichst breit aufgefächert werden. Um keine Endlos-PBO-Fasern zu erhalten, wird in einem Schritt S3.3 der flache, bandförmige PBO-Faser-Roving 11' in PBO-Faser-Schnitzel 12 (siehe 3) vorbestimmter Längenverteilung zugeschnitten. Der Begriff Längenverteilung bezeichnet in diesem Zusammenhang die anteilsmäßige Verteilung der vorliegenden Längen der PBO-Fasern, bei der die PBO-Fasern gleich lang (Anteil der einzigen Länge an der Längenverteilung beträgt 100%; ein einziger „Peak“) oder unterschiedlich lang (zurechtgeschnitten) vorliegen können (zumindest zwei verschiedene Längen mit jeweiligen Anteilen von unter 100%). Man kann auch sagen, dass die Längenverteilung eine Funktion über die Länge ist, deren Wert den Anteil der Länge wiedergibt, wobei die Summe der Anteile 100% ergibt. Für den Fall, dass die PBO-Fasern unterschiedliche Längen aufweisen, kann die Längenverteilung beispielsweise exakt zwei oder mehr definierte, unterschiedliche Längen an PBO-Fasern aufweisen. Auch kann die Längenverteilung eine Normalverteilung der Länge der PBO-Fasern um ein Maximum einer bestimmten Länge sein. Diese PBO-Faser-Schnitzel 12 bilden, zusammen mit gegebenenfalls noch weiteren Fasern, eine Fasermischung. Die Fasermischung kann, neben den PBO-Faser-Schnitzeln 12, noch weitere Fasern wie etwa Kohlenstoff-Fasern aufweisen. Die Fasermischung kann insbesondere nur die Vielzahl an PBO-Faser-Schnitzel 12 einer einzigen vorbestimmten Länge aufweisen.
In einem Schritt S4 wird die Fasermischung mit den PBO-Faser-Schnitzeln 12 dann schließlich dem Matrixsystem 6 zugegeben. Dies erfolgt definiert durch einen Schritt S4.1 Aufrieseln der Fasermischung mit den PBO-Faser-Schnitzeln 12 in einer an das Einsatzgebiet angepasster Menge auf eine Matrixschicht 14 des Matrixsystems 6. So entsteht eine Faser-Schicht 16 mit (zumindest) den PBO-Faser-Schnitzeln 12, welche auf der Matrixschicht 14 des Matrixsystems 6 aufliegt und ggf. in diese hineinsteht und in diese eindringt. Über die an das Einsatzgebiet angepasste Menge kann auch ein Volumenanteil der PBO-Fasern 4 an dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 eingestellt werden.
Um die PBO-Fasern 4 bzw. die PBO-Faser-Schnitzel 12 in das Matrixsystem 6 vornehmlich gänzlich einzubetten, folgt in einem Schritt S5 der Auftrag einer weiteren Matrixschicht 14 des Matrixsystems 6 auf die Faser-Schicht 16. Um ein Halbzeug 18 herzustellen, das auch gut handhabbar ist und bei weiterer Verarbeitung nicht mit insbesondere Anlagekomponenten verklebt, wird in einem Schritt S6 auf die aufgetragene weitere Matrixschicht 14 eine weitere Trägerfolie 10 aufgebracht. So entsteht eine Sandwichkonfiguration als das Halbzeug 18 aus Trägerfolie10, Matrixschicht 14, Faser-Schicht 16, Matrixschicht 14 und Trägerschicht 10, bei der die Faser-Schicht 16 symmetrisch zwischen den anderen Schichten eingelegt und insbesondere eingebettet ist. Die Matrixschichten 14 bilden die duroplastische Kunststoffmatrix 8.
Das so hergestellt Halbzeug 18 wird in einem nachfolgenden Schritt S7 mittels einer Kompaktierungseinheit kompaktiert und insbesondere gewalkt. Das hergestellte Halbzeug 18 kann in diesem Zustand gehandhabt werden, insbesondere gelagert, transportiert, zurechtgeformt, insbesondere zurechtgeschnitten, zerrissen oder verbogen, werden. Auch können mehrere Lagen des Halbzeugs 18 lagenweise aufeinandergelegt oder aufeinandergeschichtet werden, wobei zwischen den Schichten jeweils die Trägerfolien 10 entfernt werden.
Anschließend wird das kompaktierte Halbzeug 18, nachdem die Trägerfolien 10 entfernt wurden, einer beheizbaren (Heizpress-)Form zugeführt, insbesondere in diese Form eingelegt, welche das Halbzeug 18 formschlüssig verpresst und damit in seine letztliche Form bringt, erwärmt und durch den Pressheizvorgang aushärtet, um letztlich die erfindungsgemäße Werkzeugkomponente 1 in der Ausgestaltung eines Faser-Kunststoff-Verbund Pressformbauteils auszuformen. Unter dem hohen Druck und der hohen Temperatur sinkt dabei zunächst die Viskosität des Matrixsystems 6 stark ab und lässt ein (teilweises) Fließen des Matrixsystems 6 zu. In diesem Zustand werden die PBO-Fasern 4 vollständig von dem Matrixsystem 6 benetzt bzw. die PBO-Fasern 4 weisen möglichst an allen Oberflächen einen direkten Kontakt zu dem Matrixsystem 6 auf. Kurz darauf reagiert das Matrixsystem 6 mit einhergehender Erhöhung seiner Viskosität und härtet aus.
In einem letzten Schritt S9 wird schließlich die pressgeformte Werkzeugkomponente 1 aus der beheizbaren Form entnommen und kann ihren Einsatz in einem spanabhebenden Werkzeug finden.
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes (Fertigungs-)Verfahren bzw. eine an ein erfindungsgemäßes Verfahren angepasste SMC-Anlage 20 (Sheet-Molding-Compound-Anlage 20) zur Herstellung des Halbzeugs 18 für die erfindungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbund Werkzeugkomponente 1 gemäß einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform. Diese zweite Ausführungsform / Variante des Verfahrens ist eine Teilmenge der ersten Ausführungsform, wobei die Schritte S8 und S9 nicht Anwendung finden, da nur das Halbzeug 18 für eine spätere Verarbeitung hergestellt wird.
Die 2 zeigt im Konkreten die SMC-Anlage 20, bei der eine Trägerfolie 10 in Form einer PE-Abdeckfolie abgewickelt und auf einem Förderband 22 den weiteren Verfahrensstationen (siehe Pfeil für Bewegungsrichtung) zugeführt wird (Schritt S2.1). Auf die mit dem Förderband 22 weitertransportierte Trägerfolie 10 wird mittels eines Rakelkastens 24 das Matrixsystem 6 bzw. die Matrixschicht 14 auf die Trägerfolie 10 flächig aufgetragen bzw. aufgerakelt (Schritt S2.2). Hierdurch wird das Matrixsystem 6 (zumindest teilweise) bereitgestellt (Schritt S2).
Oberhalb des Rakelkastens 24 verlaufen parallel und in gleicher Richtung wie das Förderband 22 laufend nebeneinander die flachen, bandförmigen PBO-Faser-Rovinge 11'. Diese bandförmigen, parallelen PBO-Faser-Rovinge 11' werden einem Schneidwerk 26 zugeführt, welche diese in die gewünschte Länge schneidet. Der PBO-Faser-Roving 11' zerfällt nach dem Schneiden locker in einzelne Fasern, die elektrostatisch aneinander haften und welche die flachen PBO-Faser-Schnitzel 12 bilden. Ein teilweises Auseinanderfallen der PBO-Fasern 4 in den PBO-Faser-Schnitzeln 12 ist zwar möglich, findet jedoch kaum statt. Diese PBO-Faser-Schnitzel 12 bilden in dieser Ausführungsform die Fasermischung. Die geschnittenen PBO-Faser-Schnitzel 12 fallen unorientiert auf den Epoxidharzfilm, der die Matrixschicht 14 des Matrixsystems 6 bildet und werden damit aufgerieselt (Schritt S4.1). Über die Bahngeschwindigkeit des Förderbandes 22 kann ein Fasergehalt bzw. ein Volumenanteil der PBO-Fasern 4 an dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 eingestellt werden.
Die so aufgetragene Faser-Schicht 16 auf der Matrixschicht 14 und der Trägerfolie 10 wird mit dem Förderband 22 weitertransportiert und eine weitere Trägerfolie 10, auf dessen Unterseite mit Hilfe eines weiteren Rakelkastens 24 eine weitere Matrixschicht 14 des Matrixsystem 6 aufgetragen wird, deckt die Faser-Schicht 16 ab (Schritte S5 und S6). Es liegt nun ein Halbzeug 18 als Bahn vor, bei der die Faser-Schicht 16 von den Matrixschichten 14 umgeben ist.
Dieses Halbzeug 18 wird durch einen nachfolgenden Walzstuhl 28 geführt, wo das Matrixsystem 6 bzw. die beiden Matrixschichten 14 mit den PBO-Fasern 4 bzw. der Faser-Schicht 16 ineinander gewalkt werden, um die beiden Schichten 14, 16 gut miteinander zu verbinden, die PBO-Fasern 4 möglichst gut in das Matrixsystem 6 einzubetten und mögliche Hohlräume von Lufteinschlüssen oder zu geringer Faseranteile zu verringern und möglichst gänzlich zu vermeiden. Das Halbzeug 18 in Bahn-Form wird auf Rollen zu definierten Gewichten aufgewickelt und mehrere Tage bis zur Erreichung der Eindicktiefe gelagert. Dieses Halbzeug 18 als SMC-Pressmasse (Sheet-Molding-Compound-Pressmasse) kann dann insbesondere zurechtgeschnitten werden, so dass eine an die beheizbare Form angepasste SMC-Pressmasse ausgeformt ist.
3 zeigt in einer Teilansicht eine schematische Draufsicht auf die Faser-Schicht 16, in welcher die PBO-Faser-Schnitzel 12 ungeordnet übereinander liegen und Schichten bilden. Idealerweise weist ein PBO-Faser-Schnitzel 12 eine Dicke von genau einer Faser der PBO-Faser 4 auf, bzw. entspricht die Dicke dem Durchmesser einer einzelnen PBO-Faser 4 von ca. 10µm. Damit wird ein annähernd gleichmäßiger und hoher Faseranteil bzw. Volumenanteil der PBO-Fasern 4 erreicht.
4 und 5 zeigen jeweils eine Raster-Elektronen-Mikroskop(REM)-Aufnahme mit zwei unterschiedlichen Vergrößerungsstufen. Die beiden 4 und 5 zeigen einen Anschliff einer nach dem Verfahren hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund Schicht 2, wobei die Ebene des Anschliffs parallel zu den PBO-Fasern 4 liegt. Diese Ebene ist auch in 11 mit der Bezeichnung „Schnittebene parallel zur PBO-Faser“ schematisch eingezeichnet. Damit entspricht die REM-Aufnahme einer Draufsicht auf die einzelnen Lagen des Faser-Kunststoff-Verbundes 2, wie sie etwa in 3 angedeutet ist. Ein einzelnes PBO-Faser-Schnitzel 12 ist in 4 gesehen auf der linken Seite grob mit einer gestrichelten Linie eingerahmt. Man kann in 4 und 5 deutlich erkennen, dass die einzelnen, flachen PBO-Faser-Schnitzel 12 nur wenige PBO-Fasern 4 übereinander in einer Richtung senkrecht in die Seitenebene hinein bzw. eine Dicke von nur wenigen PBO-Fasern 4 aufweisen. Ein PBO-Faser-Schnitzel 12 hat insbesondere weniger als zehn Lagen PBO-Fasern 4 in Richtung seiner geringsten Erstreckung. In 5, welche die fünffache Vergrößerung des Faser-Kunststoff-Verbunds 2 aus 4 ist, ist mittig eine Linie parallel zu den PBO-Fasern 4 eingezeichnet. Entlang dieser Linie ist, von in 5 gesehen oben rechts anfangend nach unten links führend, eine erste Lage an PBO-Fasern 4 erkennbar, die mit der Bezeichnung (1) versehen ist. Eine zweite, dritte, vierte und fünfte Lage sind jeweils mit (2), (3), (4) und (5) bezeichnet. Damit weist dieser PBO-Schnitzel 12 nur fünf Lagen an PBO-Fasern 4 in die Seitenebene hinein gesehen auf. Die ausgefransten Enden der PBO-Fasern 4 rühren von dem Anschliff für die REM-Aufnahme her, bei der die Oberfläche flächig abgeschliffen wurde. Helle Bereiche repräsentieren das Matrixsystem 6, wohingegen die dunkeln, faserförmigen Bereiche die PBO-Fasern 4 darstellen.
6 und 7 zeigen ebenfalls eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Anschliffs einer nach dem Verfahren hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund Schicht 2 in zwei unterschiedlichen Vergrößerungen, wobei die Ebene des Anschliffs diesmal senkrecht zu den PBO-Fasern 4 liegt. Mit anderen Worten zeigen 6 und 7 jeweils eine Querschnittsansicht des ausgehärteten Faser-Kunststoff-Verbundes 2, wobei die (Schnitt-)Ebene schematisch in 11 mit der Bezeichnung „Schnittebene senkrecht zu der PBO-Faser“ gezeigt ist. An beispielsweise elliptischen Querschnitten der PBO-Fasern 4 ist erkennbar, dass diese abgeschnittenen PBO-Fasern 4 eine andere Orientierung in der Ebene, in welche die PBO-Fasern 4 einer Lage liegen, aufweisen, als beispielsweise die PBO-Fasern 4 mit kreisförmigem Querschnitt. Auch ist ersichtlich, dass der Volumenanteil der PBO-Fasern 4 höher als der Volumenanteil des Matrixsystems 6 liegt.
8 zeigt eine schematische Längsschnittansicht durch das Halbzeug 18, das mittels der vorstehend beschriebenen SMC-Anlage 20 hergestellt wurde. Es ist ein Schichtverbund aus der Trägerfolie 10, der Matrixschicht 14, der Faser-Schicht 16, der Matrixschicht 14 und der Trägerfolie 10 erkennbar, welcher nach dem Schritt S6 Aufbringen der Trägerfolie 10 vorliegt. Die Schichten 10, 14, 16 des Schichtverbunds liegen lose aufeinander auf und wurden noch nicht kompaktiert.
9 zeigt in einer schematischen Detailansicht einen vergrößerten Teilausschnitt, der in 8 mit der Ellipse angedeutet ist, durch im Wesentlichen die Faser-Schicht 16 des Schichtverbundes des Halbzeugs 18 aus 8. Die eingebrachten PBO-Faser-Schnitzel 12 sind an einigen Stellen noch nicht komplett in den Matrixschichten 14 eingebettet, sondern es sind noch Lufteinschlüsse 34 vorhanden, welche sich negativ auf eine Haftung des Matrixsystems 6 mit den PBO-Fasern 4 bzw. den PBO-Faser-Schnitzel 12 auswirken. Es sind also Oberflächen der PBO-Faser-Schnitzel 12 vorhanden, welche nicht in direktem Kontakt mit den Matrixschichten 14 stehen. Um eine möglichst vollständige Einbettung der PBO-Faser-Schnitzel 12 zu erreichen folgt der Schritt S7 Kompaktieren des Halbzeugs 18, in welchem das Halbzeug 18 kompaktiert und die PBO-Fasern 4 in das Matrixsystem 6 eingewalkt werden.
10 zeigt eine Längsschnittansicht durch das Halbzeug 18 nach dem Schritt S7 Kompaktieren, bei dem das Halbzeug 18 mit dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 mittels des Walzenstuhls / der Kompaktierungseinheit 28 gewalkt wurde. Die beiden entgegen gerichteten Pfeile deuten dabei die aufgebrachte Presskraft der Presswalzen an.
11 zeigt, gleich zu 9, in einer schematischen Detailansicht den vergrößerten Teilausschnitt, der in 10 mit einer Ellipse angedeutet ist, durch die Faser-Schicht 16 des Schichtverbundes des Halbzeugs 18 aus 10, nach den Schritten S7 Kompaktieren und S8 Verpressen, Erwärmen und Aushärten des Halbzeugs 18 in der beheizbaren Form (nicht dargestellt). Zum einen wurde die Dicke (Abmessungen in 8 bis 11 gesehen in vertikaler Richtung) des Halbzeugs 18 reduziert, zum anderen wurden die Lufteinschlüsse 34 entfernt.
12 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Halbzeugs 18, dass nach dem Schritt S8 Verpressen, Erwärmen und Aushärten des Halbzeugs 18 in einer beheizbaren Form (nicht dargestellt), zu der fertigen Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente 1 pressgeformt wurde.
13 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht durch den PBO-Faser-Roving 11 den Schritt S3.2 Umformen des PBO-Faser-Rovings 11 mit ellipsenförmigen Querschnitt zu einem flachen, bandförmigen PBO-Faser-Roving 11' mit möglichst geringer Dicke (in 13 ist die Dicke mit etwa zwei Faser-Durchmessern schematisch dargestellt). Die Dicke des bandförmigen PBO-Faser-Rovings 11' wird dabei als der Abstand der Seitenflächen in vertikaler Richtung in 13 gesehen definiert. Abgeschnitten ergeben sich dann die PBO-Faser-Schnitzel 12 mit ebenfalls möglichst geringer Dicke.
14 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugkomponente 1 einer bevorzugten Ausführungsform in Form einer Trägerplatte mit plattenförmiger Grundstruktur 36. Es sind die aufeinanderliegenden und in das Matrixsystem 6 eingebetteten PBO-Faser-Schnitzel 12 zu erkennen, die ungerichtet in einer Ebene (hier in 14 mit Ebene E bezeichnet) liegen und damit eine zweidimensionale isotrope Werkstoffeigenschaft der Werkzeugkomponente 1 bewirken. Die Werkzeugkomponente 1 ist aus mehreren Schichten des verpressten und ausgehärteten Halbzeugs 18 gebildet, um eine notwendige Dicke (in 14 gesehen die Abmessung senkrecht in die Seitenebene / Figurenblattebene bzw. senkrecht auf die Ebene E) und Steifigkeit der Trägerplatte zu erreichen und um die mechanischen Belastungen aufzufangen.
15 zeigt die Werkzeugkomponente 1, die aus der in 14 gezeigten Trägerplatte hergestellt wurde, wobei die Werkzeugkomponente 1 in Form der Trägerplatte in ein spanabhebendes Rotationswerkzeug 38 mit modulartigem Grundkörper bzw. modulartigem Träger eingesetzt ist. Die Werkzeugkomponente 1 ist dabei an einen Spannabschnitt 42 sowie an Trägerabschnitte 44 mittels Schrauben 40 in axialer Richtung befestigt. Die Trägerabschnitte 44, welche Schneiden 46 tragen, der Spannabschnitt 42, hier in Form einer Hohl-Schaft-Kegel-Aufnahme und/oder eine stirnseitig befestigte Stützplatte 48 können den Faser-Kunststoff-Verbund 2 mit den PBO-Fasern 4 als Material aufweisen oder gänzlich aus dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 bestehen. Insbesondere kann das gesamte Rotationswerkzeug 38, gegebenenfalls bis auf kleinere Elemente wie etwa der Schraube 40, der Schneide 46 oder Schneideinsätzen, aus dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 aufgebaut sein. Dadurch, dass das Gewicht des Rotationswerkzeugs 38 mit großem Durchmesser niedrig ist, kann ein Spannabschnitt 42 mit kleinem Durchmesser verwendet werden. Dies erlaubt den Einsatz auf einer Spindel mit kleinem Durchmesser, wie sie aktuell bei Maschinenwerkzeugen Verwendung findet.
Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente gilt auch für die erfindungsgemäße tragende Werkzeugkomponente, ebenso wie jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen tragenden Werkzeugkomponente auch für das erfindungsgemäße Verfahren gilt.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann das Herstellungsverfahren des Faser-Kunststoff-Verbundes von der beschriebenen Variante dahingehend abweichen dass der Faser-Kunststoff-Verbund im 3D-Druck (additive Fertigung) hergestellt wird, wobei die Fasern beispielsweise als Endlosfasern bzw. Endlosfaser-Rovings in die zu druckende Matrix eingebettet werden. Dabei werden die Fasern mittels einer Positioniereinrichtung so platziert, dass diese während des Matrixaustrags bzw. Kunststoffaustrags direkt durch den ausgetragenden Kunststoff in das Bauteil bzw. die Werkzeugkomponente implementiert werden. So können beispielsweise Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponenten aus Granulat mit Endlosfasern additiv gefertigt werden. Die Werkzeugkomponenten können so Schicht für Schicht aus feinsten Kunststofftropfen mithilfe einer speziellen Düse auf einem beweglichen Bauteilträger aufgetragen und so zu 3D-Bauteilen aufgebaut werden.
Bezugszeichenliste

1: Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente
2: Faser-Kunststoff-Verbund
4: PBO-Faser
6: Matrixsystem
8: Duroplastische Matrixkomponente
10: Trägerfolie
11: PBO-Faser-Roving (kreis- oder ellipsenförmiger Querschnitt)
11': PBO-Faser-Roving (flach, bandförmig)
12: PBO-Faser-Schnitzel
14: Matrixschicht
16: Faser-Schicht
18: Halbzeug / Vorform
20: SMC-Anlage
22: Förderband
24: Rakelkasten
26: Schneidwerk
28: Walzstuhl / Kompaktierungseinheit
34: Lufteinschluss
36: Plattenförmige Grundstruktur
38: Rotationswerkzeug
40: Schraube
42: Spannabschnitt
44: Trägerabschnitt
46: Schneide
48: Stützplatte
S1: Schritt Auswahl PBO-Fasern und duroplastische Matrixkomponente
S2: Schritt Bereitstellen Matrixsystem
S2.1: Schritt Bereitstellen Trägerfolie
S2.2: Schritt Aufbringen Matrixsystem auf Trägerfolie
S3: Schritt Zusammenstellen PBO-Fasern
S3.1: Schritt Bereitstellen PBO-Faser-Roving
S3.2: Schritt Umformen PBO-Faser-Roving
S3.3: Schritt Zuschneide PBO-Faser-Roving
S4: Schritt Zugeben PBO-Fasern zu Matrixsystem
S4.1: Schritt Aufrieseln der Fasermischung mit PBO-Faser-Schnitzeln
S5: Schritt Aufbringen Matrixschicht auf PBO-Fasern
S6: Schritt Aufbringen Trägerfolie
S7: Schritt Kompaktieren Halbzeug
S8: Schritt Verpressen, Erwärmen und Aushärten Halbzeug
S9: Schritt Entnahme Werkzeugkomponente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017118176 A1 [0008]
DE 102010036874 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Faser-Kunststoff-Verbund-Werkzeugkomponente (1) mit einem Matrixsystem (6) mit eingebetteten Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserkomponente PBO-Fasern (4) ausgewählt wird und als Matrixkomponente des Matrixsystems (6) eine duroplastische Kunststoffmatrix (8) verwendet wird (S1), die in dem ausgehärteten Faser-Kunststoff-Verbund (2) eine derartige Haftung an der PBO-Faser (4) aufweist, dass dem Matrixsystem (6) der Wärmeausdehnungskoeffizient der PBO-Fasern (4) aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die verwendete duroplastische Kunststoffmatrix Vinylesterharz, Epoxidharz, Phenolharz und/oder ungesättigter Polyesterharz als Matrixkomponente (8) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil der PBO-Fasern (4) an dem Faser-Kunststoff-Verbund (2) gleich oder größer als 40% gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: - Bereitstellen des Matrixsystems (6) mit der duroplastischen Kunststoffmatrix (8) als Matrixkomponente (S2), - Zusammenstellen von PBO-Fasern (4) als Faserkomponente mit ausgewählter Längenverteilung (S3), die an das Einsatzgebiet der Werkzeugkomponente (1) angepasst ist, - Zugeben der PBO-Fasern (4) zu dem Matrixsystem (6) in einer an das Einsatzgebiet ausgewählten Menge (S4), so dass ein Halbzeug (18) mit dem unausgehärtetem Matrixsystem (6) und den PBO-Fasern (4) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Schritte aufweist: - Verpressen des Halbzeugs in einer beheizbaren Form (S8), und - Erwärmen und Aushärten des Halbzeugs (18) zu einem Formkörper (S8) der Werkzeugkomponente (1).
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt Bereitstellen des Matrixsystems (S2) die unausgehärtete Matrixschicht (14) auf eine Trägerfolie (10) aufgebracht wird (S2.2), welche mittels eines Förderbandes (22) weiter transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt Zugeben der PBO-Fasern (S4), die abgelängten PBO-Fasern (4) auf die unausgehärtete Matrixschicht (14) des Matrixsystems aufgebracht, insbesondere aufgerieselt, wird (S4.1).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Zugebens von PBO-Fasern (S4) mit ungeordneten Aufrieseln von PBO-Fasern (4) auf die auf die Trägerfolie (10) aufgebrachte unausgehärtete Matrixschicht (14), auf die aufgerieselten PBO-Fasern (4) eine weitere Matrixschicht (16) und auf die weitere Matrixschicht (16) eine weitere Trägerfolie (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (18) mittels einer Kompaktierungseinheit (28) verpresst und kompaktiert wird (S7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die PBO-Fasern (4) in eine Fasermischung zugegeben werden (S3.4), wobei die PBO-Fasern (4) mit einer Länge zwischen 1mm und maximal 80mm, besonders bevorzugt zwischen 10mm und 50mm vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermischung so zusammengestellt wird, dass die Fasermischung neben einer ersten Länge oder einer Normalverteilung einer ersten Länge der PBO-Fasern (4) zusätzlich eine zweite Länge oder eine Normalverteilung einer zweiten Länge der PBO-Fasern (4) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt Zusammenstellen von PBO-Fasern (S3), zumindest ein PBO-Faser-Roving (11') in Form eines flachen Bands mit einem Schneidwerkzeug zugeschnitten wird (S3.3).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: - Umformen eines PBO-Fasern-Rovings (11) mit kreisförmigem oder ellipsenförmigem Querschnitt zu dem PBO-Fasern-Roving (11') in Form eines flachen Bands (S3.2), - Zuschneiden des PBO-Faser-Rovings (11') in PBO-Faser-Roving-Schnitzel (12) mit vorbestimmter Längenverteilung oder Länge (S3.3).
Tragende Werkzeugkomponente (1) eines spanabhebenden Werkzeugs in der Ausgestaltung eines Faser-Kunststoff-Verbund Pressformteils dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Werkzeugkomponente (1) ein Matrixsystem (6) mit einer duroplastischen Matrixkomponente (8) und in diese eingebettete PBO-Fasern (4) aufweist.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente (1) aus verpressten und ausgehärteten Schichten aus Halbzeugen mit Matrixsystem (6) und PBO-Fasern (4) gebildet ist.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Matrixsystem (6) eingebetteten PBO-Fasern (4) derart ungeordnet vorliegen, dass eine isotrope Werkstoffeigenschaft der tragenden Werkzeugkomponente (1) zumindest in einer Ebene erzielt wird.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Matrixsystem (6) eingebetteten PBO-Fasern (4) eine Faserlänge zwischen 1mm und maximal 80mm, besonders bevorzugt zwischen 10mm und 50mm aufweisen.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der tragenden Werkzeugkomponente (1) in zumindest eine Richtung, vorzugsweise in zwei Richtungen, besonders bevorzugt in alle drei Richtungen, kleiner oder gleich 2ppm/K, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 ppm/K, ist.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Werkzeugkomponente (1) eine Trägerplatte, ein Hohlschaftkegel, eine Stützplatte oder ein Trägerabschnitt ist.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Werkzeugkomponente (1) eine Trägerplatte ist, die eine plattenförmige Grundstruktur sowie vorzugsweise zumindest eine Durchgangsöffnung quer zu der plattenförmigen Grundstruktur aufweist, um mit anderen Werkzeugkomponenten verschraubt und/oder auf diese formschlüssig aufgesteckt und/oder stoffschlüssig verbunden zu werden.
Tragende Werkzeugkomponente (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Werkzeugkomponente gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wurde.