DE102021122194A1 - Manufacturing process of a carbon fiber reinforced thermoplastic rod - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren (1) eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs mit Kohlestofffasern basierend auf Polyacrylnitril (PAN), welches die Schritte umfasst:a. Bereitstellung von Polyacrylnitril(PAN)-Fasern als Ausgangsmaterial,b. Stabilisierung der Polyacrylnitril-Fasern durch Oxidierung,c. Karbonisierung der stabilisierten Polyacrylnitril-Fasern zu Kohlenstofffasern,d. Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffasern, wobei das Herstellungsverfahren (1) vor oder nach Schritt d) den Schritt umfasst:e. Kalibrierung der Kohlenstofffasernund wobei das Herstellungsverfahren (1) anschließend an die Schritte d) und e) die Schritte umfasst:f. Imprägnierung der in den Schritten a) bis e) entstandenen Kohlenstofffasern mittels eines Thermoplasts undg. Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab, insbesondere zu einem kontinuierlichen kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab.The invention relates to a production method (1) of a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod with carbon fibers based on polyacrylonitrile (PAN), which comprises the steps: a. providing polyacrylonitrile (PAN) fibers as starting material,b. stabilization of the polyacrylonitrile fibers by oxidation,c. carbonization of the stabilized polyacrylonitrile fibers into carbon fibers, d. Surface treatment of the carbon fibers, wherein the production method (1) before or after step d) comprises the step:e. calibration of the carbon fibers and wherein the manufacturing method (1) comprises the following steps after steps d) and e): f. Impregnation of the carbon fibers produced in steps a) to e) by means of a thermoplastic undg. Calibration of the carbon fiber reinforced thermoplastic into a carbon fiber reinforced thermoplastic rod, in particular into a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic rod.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs mit Kohlenstofffasern, insbesondere basierend auf Polyacrylnitril (PAN).The invention relates to a manufacturing method for a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod with carbon fibers, in particular based on polyacrylonitrile (PAN).

In der Automobilindustrie besteht heutzutage ein hoher Bedarf an Leichtbaustrukturbauteilen. Problematisch ist dabei jedoch, dass die Herstellungskosten eines Kohlenstofffaserverbundbauteils sehr hoch sind. Aus diesem Grund sind Kohlenstofffaserverbund-Anwendungen in der Breite nicht zu finden. Ein möglicher Lösungsansatz wurde durch die sogenannte Skelettbauweise aufgezeigt. Hier wird der Einsatz der teuren Faserstäbe auf die Lastpfade mit reiner Zug- und Druckbelastung reduziert und macht nicht mehr als 30- bis 50% des Gesamtgewichtes aus. Dabei bestehen die Faserstäbe zu 60 bis 80 % des Gewichts aus Kohlenstofffasern. Zudem fällt bei der Herstellung dieser Lastpfade kein Verschnitt an. Trotz der hier drastischen Reduzierung an imprägnierten Kohlenstofffasern ist dieser Kostenblock dominierend für die Herstellkosten.In the automotive industry today there is a high demand for lightweight structural components. The problem here, however, is that the manufacturing costs of a carbon fiber composite component are very high. For this reason, carbon fiber composite applications cannot be found on a broad scale. A possible solution was shown by the so-called skeleton construction. Here the use of expensive fiber rods is reduced to the load paths with pure tensile and compressive loads and accounts for no more than 30 to 50% of the total weight. The fiber rods consist of 60 to 80% of the weight of carbon fibers. In addition, there is no waste when producing these load paths. Despite the drastic reduction in impregnated carbon fibers here, this cost block is the dominant factor in the manufacturing costs.

Darüber hinaus ist die Herstellung der für die Kohlenstofffaserverbundbauteile notwendigen Halbzeuge, wie beispielsweise Profile und imprägnierte Fasern, sehr aufwändig und erfolgt in der Regel durch mehrere voneinander getrennten Prozessen, der Faserherstellung mit für Thermoplaste geeigneter Schlichte, einer anschließenden Imprägnierung der Faser und einer darauffolgenden Verarbeitung der Halbzeuge bzw. Herstellung der Strukturbauteile.In addition, the production of the semi-finished products required for the carbon fiber composite components, such as profiles and impregnated fibers, is very complex and usually takes place through several separate processes, the fiber production with a size suitable for thermoplastics, subsequent impregnation of the fiber and subsequent processing of the Semi-finished products or production of structural components.

Dementsprechend ist die Herstellung kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten sehr aufwändig und kostspielig.Accordingly, the production of carbon fiber reinforced thermoplastics is very complex and expensive.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs bereitzustellen, bei dem der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten reduziert sind.It is therefore the object of the present invention to provide a manufacturing method for a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod, in which the manufacturing effort and manufacturing costs are reduced.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the combination of features according to claim 1.

Erfindungsgemäß wird ein Herstellungsverfahren eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs mit Kohlestofffasern, insbesondere basierend auf Polyacrylnitril (PAN), offenbart. Das Herstellungsverfahren umfasst zunächst die Bereitstellung von Polyacrylnitril(PAN)-Fasern als Ausgangsmaterial (Precursor). Anschließend erfolgt die Stabilisierung der Polyacrylnitril-Fasern durch Oxidierung. Daraufhin wird eine Karbonisierung der stabilisierten Polyacrylnitril-Fasern zu Kohlenstofffasern durchgeführt. Ferner erfolgt eine Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffasern, wobei vor oder nach der Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffasern eine Kalibrierung der Kohlenstofffasern stattfindet. Nachfolgend wird eine Imprägnierung der in den vorhergehenden Verfahrensschritten entstandenen Kohlenstofffasern mittels eines Thermoplasts durchgeführt und daran anschließend erfolgt eine Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab, insbesondere zu einem kontinuierlichen kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab.According to the invention, a production method for a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod with carbon fibers, in particular based on polyacrylonitrile (PAN), is disclosed. The manufacturing process initially includes the provision of polyacrylonitrile (PAN) fibers as the starting material (precursor). The polyacrylonitrile fibers are then stabilized by oxidation. The stabilized polyacrylonitrile fibers are then carbonized to form carbon fibers. Furthermore, the carbon fibers are surface treated, with the carbon fibers being calibrated before or after the surface treatment of the carbon fibers. The carbon fibers produced in the previous process steps are then impregnated with a thermoplastic and the carbon fiber-reinforced thermoplastic is then calibrated to form a carbon-fiber-reinforced thermoplastic rod, in particular a continuous carbon-fiber-reinforced thermoplastic rod.

Vorteilhaft daran ist, dass die Herstellung der Halbzeuge oder der imprägnierten Faserbündel direkt bei der Kohlenstofffaserherstellung erfolgt. Hierzu werden nach der Stabilisierung der Kohlenstofffaser weitere Herstellungsmodule ergänzt, welche statt des heute üblichen Sizing-Auftrags und der Sizing-Kalibrierung in das Herstellungsverfahren integriert werden, bzw. das Sizingmodul wird entsprechend angepasst. Auf diese Weise kann der kohlenstofffaserverstärkte Thermoplast-Stab direkt nach der Herstellung in anschließenden Verarbeitungsverfahren verwendet werden. Somit kann das entstandene Halbzeug direkt in ein Bauteil verarbeitet werden, insbesondere in ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug. Folglich reduziert sich der Herstellungsaufwand in der gesamten Produktionslinie und die Herstellungskosten sinken. Der Verfahrensschritt der Kalibrierung der Kohlenstofffasern bzw. des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts beschreibt dabei allgemein das Ausrichten des jeweiligen Werkstücks auf ein genaues Maß, das entsprechend des nächsten Verfahrensschritts vorbestimmt ist.The advantage of this is that the production of the semi-finished products or the impregnated fiber bundles takes place directly during the carbon fiber production. For this purpose, after the carbon fiber has been stabilized, further manufacturing modules are added, which are integrated into the manufacturing process instead of the sizing order and sizing calibration that are usual today, or the sizing module is adjusted accordingly. In this way, the carbon fiber reinforced thermoplastic rod can be used directly after manufacture in subsequent processing methods. The resulting semi-finished product can thus be processed directly into a component, in particular into a structural component for a motor vehicle. Consequently, the manufacturing effort in the entire production line is reduced and the manufacturing costs are reduced. The process step of calibrating the carbon fibers or the carbon fiber-reinforced thermoplastic generally describes the alignment of the respective workpiece to an exact dimension that is predetermined according to the next process step.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die vorstehend genannten Verfahrensschritte kontinuierlich in einer gemeinsamen Produktionslinie durchgeführt werden. Dabei sind insbesondere eine Geschwindigkeit der Imprägnierung und eine Geschwindigkeit der vorhergehenden Verfahrensschritte aufeinander abgestimmt. Dadurch ist die Herstellung eines kontinuierlichen kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs ermöglicht bzw. optimiert.In an advantageous embodiment, it is provided that the method steps mentioned above are carried out continuously in a common production line. In particular, a speed of the impregnation and a speed of the preceding method steps are matched to one another. This enables or optimizes the production of a continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic rod.

In einer alternativen Ausführung des vorliegenden Herstellungsverfahrens ist ferner vorgesehen, dass bei der Imprägnierung eine Matrix, mit der die Kohlenstofffaser imprägniert wird, mittels eines In-Situ Verfahrens polymerisiert wird. Dabei werden ausgehend von trockenen Kohlenstofffasern die Polymerisation und die Formgebung in einem Verfahrensschritt vereint, was in der Produktionslinie besonders effiziente und automatisierte Prozesse ermöglicht. Aufgrund der niedrigen Viskosität des Thermoplasts im aufgeschmolzenen Zustand lassen sich die trockenen Kohlenstofffasern sehr gut benetzen. Ein weiterer Vorteil ist eine deutlich reduzierte thermische Belastung und somit eine gesteigerte Produktqualität.In an alternative embodiment of the present manufacturing method, it is also provided that during the impregnation a matrix with which the carbon fiber is impregnated is polymerized by means of an in-situ method. Starting with dry carbon fibers, the polymerisation and shaping are combined in one process step, which enables particularly efficient and automated processes in the production line. Due to the low viscosity of the thermoplastic when melted, the dry carbon fibers can be wetted very well. Another advantage is a significantly reduced thermal load and thus increased product quality.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass bei der Imprägnierung die Kohlenstofffasern mehrfach imprägniert werden. Dadurch wird die Imprägnierung weiter verbessert.In an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the carbon fibers are impregnated several times during the impregnation. This further improves the impregnation.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden bei der Kalibrierung die Kohlenstofffasern gespreizt. Die Spreizung ist vorteilhat für die Imprägnierung, da auf diese Weise die Matrix nicht durch die Filamente in die Mitte des Faserbündels fließen muss. Dies verbessert die Imprägnierung, vor allem bei einer höher viskosen Thermoplastmatrix, und damit auch die mögliche Imprägnierungsgeschwindigkeit. Darüber hinaus ermöglicht die Spreizung eine Imprägnierung bei hohen Filamentzahlen der Faserbündel (Rovings).In a preferred embodiment of the manufacturing process, the carbon fibers are spread during the calibration. The spreading is advantageous for the impregnation because in this way the matrix does not have to flow through the filaments into the middle of the fiber bundle. This improves the impregnation, especially with a highly viscous thermoplastic matrix, and thus also the possible impregnation speed. In addition, the spreading enables impregnation with high filament counts of the fiber bundles (rovings).

In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei der Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts dieser mittels einer Kühlvorrichtung aktiv gekühlt wird, insbesondere mit einer Temperatur von 5 bis 10 °C. Auf diese Weise wird die Thermoplastschmelze aktiv gekühlt. Dadurch kann der kohlenstofffaserverstärkte Thermoplast-Stab direkt nach der Herstellung in anschließenden Verarbeitungsverfahren verwendet werden und das entstandene Halbzeug kann direkt in ein Bauteil verarbeitet werden, insbesondere in ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug.In a further advantageous variant, it is provided according to the invention that during the calibration of the carbon fiber-reinforced thermoplastic, it is actively cooled by means of a cooling device, in particular at a temperature of 5 to 10°C. In this way, the thermoplastic melt is actively cooled. As a result, the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod can be used directly after production in subsequent processing methods and the resulting semi-finished product can be processed directly into a component, in particular into a structural component for a motor vehicle.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird in einer Ausführungsvariante derart durchgeführt, dass bei der Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts dieser zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab mit einer spezifischen Geometrie geformt wird, insbesondere mit einer Geometrie einer flachen Ellipse. Dadurch wird der gesamte Herstellungsprozess industrialisiert, da die spezifische Geometrie eine Toleranzbreite des entstandenen Halbzeug reduziert. Desweiteren reduziert die Geometrie einer flachen Ellipse die Profilhöhe des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs und weist Vorteile beim Handling und Aufwickeln gegenüber einem runden kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab auf, wobei jedoch die Herstellung eines runden kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs ebenfalls möglich ist.In one embodiment variant, the production method according to the invention is carried out in such a way that during the calibration of the carbon fiber reinforced thermoplastic, it is formed into a carbon fiber reinforced thermoplastic rod with a specific geometry, in particular with a geometry of a flat ellipse. As a result, the entire manufacturing process is industrialized, since the specific geometry reduces a tolerance range of the resulting semi-finished product. Furthermore, the geometry of a flat ellipse reduces the profile height of the carbon fiber reinforced thermoplastic rod and has handling and winding advantages over a round carbon fiber reinforced thermoplastic rod, however, the production of a round carbon fiber reinforced thermoplastic rod is also possible.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verarbeitungsverfahren eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs offenbart, der mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorhergehenden Offenbarung hergestellt ist. Das Verarbeitungsverfahren umfasst entweder die Wicklung des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs auf eine Spule oder die Fertigung eines Strukturbauteils, insbesondere eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, aus dem hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab. Dabei werden die Wicklung oder die Fertigung kontinuierlich durchgeführt, insbesondere in einer gemeinsamen Produktionslinie mit dem Herstellungsverfahren gemäß der vorhergehenden Offenbarung.According to the invention, there is further disclosed a method of processing a carbon fiber reinforced thermoplastic rod made by a manufacturing method according to the foregoing disclosure. The processing method comprises either the winding of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced onto a spool or the manufacture of a structural component, in particular a structural component for a motor vehicle, from the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced. In this case, the winding or the production are carried out continuously, in particular in a common production line with the production method according to the preceding disclosure.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verarbeitungsverfahrens ist vorgesehen, dass die Spule einen zu einem Durchmesser des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs korrespondierenden Durchmesser aufweist, vorzugsweise einen Durchmesser größer als 350 mm, insbesondere einen Durchmesser größer als 500 mm, weiter insbesondere einen Durchmesser größer als 680 mm. Auf diese Weise ist die Spule ausreichend dimensioniert, damit der kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab nicht bricht oder knickt.In an advantageous embodiment variant of the processing method, it is provided that the coil has a diameter that corresponds to a diameter of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced, preferably a diameter greater than 350 mm, in particular a diameter greater than 500 mm, more particularly a diameter greater than 680 mm . In this way, the spool is sufficiently dimensioned so that the carbon fiber reinforced thermoplastic rod does not break or kink.

Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.The features disclosed above can be combined as desired, insofar as this is technically possible and they do not contradict one another.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

  • 1 eine Prinzipskizze eines Herstellungsverfahrens eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs und eines direkt daran anschließenden Verarbeitungsverfahrens des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs;
  • 2 eine Prinzipskizze eines weiteren Herstellungsverfahrens eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs und eines weiteren direkt daran anschließenden Verarbeitungsverfahrens des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs.
Other advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims or are presented in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures. Show it:
  • 1 a schematic diagram of a manufacturing process for a carbon-fiber-reinforced thermoplastic rod and a directly subsequent processing process for the carbon-fiber-reinforced thermoplastic rod;
  • 2 a schematic diagram of another manufacturing process for a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod and another directly subsequent processing process for the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.The figures are schematic by way of example. The same reference numbers in the figures indicate the same functional and/or structural features.

In 1 ist eine Prinzipskizze eines Herstellungsverfahrens 1 eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs und einem direkt daran anschließenden Verarbeitungsverfahren 2 des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs offenbart.In 1 a schematic diagram of a manufacturing method 1 of a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod and a directly subsequent processing method 2 of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod is disclosed.

Das Herstellungsverfahren 1 des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs mit Kohlestofffasern basierend auf Polyacrylnitril (PAN) umfasst zunächst die Bereitstellung a) von Polyacrylnitril(PAN)-Fasern als Ausgangsmaterial (Precursor). Anschließend erfolgt eine Stabilisierung b) der Polyacrylnitril-Fasern durch eine Oxidierung. Daraufhin wird eine Karbonisierung c) der stabilisierten Polyacrylnitril-Fasern zu Kohlenstofffasern durchgeführt. Ferner erfolgt eine Oberflächenbehandlung d) der Kohlenstofffasern. Nach der Oberflächenbehandlung d) findet eine Kalibrierung e) der Kohlenstofffasern statt, bei welcher die Kohlenstofffasern gespreizt werden.Manufacturing method 1 of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod with carbon fibers based on polyacrylonitrile (PAN) initially includes the provision a) of polyacrylonitrile (PAN) fibers as starting material (precursor). This is followed by stabilization b) of the polyacrylonitrile fibers by oxidation. Carbonization c) of the stabilized polyacrylonitrile fibers to form carbon fibers is then carried out. Furthermore, a surface treatment d) of the carbon fibers takes place. After the surface treatment d), a calibration e) of the carbon fibers takes place, during which the carbon fibers are spread.

Anschließend wird eine Imprägnierung f) der in den vorhergehenden entstandenen Kohlenstofffasern mittels eines Thermoplasts durchgeführt. Bei der Imprägnierung f) wird eine Matrix, mit der die Kohlenstofffaser imprägniert wird, mittels eines In-Situ Verfahrens polymerisiert. Optional werden bei der Imprägnierung f) die Kohlenstofffasern mehrfach imprägniert.Subsequently, an impregnation f) of the carbon fibers produced in the foregoing is carried out by means of a thermoplastic. In the impregnation f), a matrix with which the carbon fiber is impregnated is polymerized by means of an in-situ method. Optionally, the carbon fibers are impregnated several times during impregnation f).

Daran schließt sich eine Kalibrierung g) des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts zu einem kontinuierlichen kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab an. Bei der Kalibrierung g) wird der kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab mit einer spezifischen Geometrie geformt. In der in 1 offenbarten Ausführung mit der Geometrie einer flachen Ellipse. Darüber hinaus wird bei der Kalibrierung g) des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts dieser mittels einer Kühlvorrichtung aktiv mit einer Temperatur von 5 bis 10 °C gekühlt.This is followed by a calibration g) of the carbon fiber reinforced thermoplastic to form a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic rod. In calibration g) the carbon fiber reinforced thermoplastic is formed into a carbon fiber reinforced thermoplastic rod with a specific geometry. in the in 1 disclosed embodiment with the geometry of a flat ellipse. In addition, during the calibration g) of the carbon fiber-reinforced thermoplastic, this is actively cooled to a temperature of 5 to 10° C. by means of a cooling device.

Direkt an das vorstehend beschrieben Herstellungsverfahren 1 schließt sich das Verarbeitungsverfahren 2 des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs, der mittels des Herstellungsverfahrens 1 hergestellt ist, an. Dabei erfolgt eines Wicklung h) des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs auf eine Spule. Diese Spule weist einen zu einem Durchmesser des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs korrespondierenden Durchmesser auf. In der vorliegenden Ausführung beträgt der Durchmesser der Spule 690 mm.The processing method 2 of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod, which is produced by means of the manufacturing method 1, follows directly on the manufacturing method 1 described above. In this case, the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced is wound h) onto a spool. This coil has a diameter that corresponds to a diameter of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod that is produced. In the present version, the diameter of the coil is 690 mm.

Die Schritte a) bis h) werden kontinuierlich in einer gemeinsamen Produktionslinie durchgeführt werden. Dabei sind eine Geschwindigkeit der Imprägnierung f) und eine Geschwindigkeit der Schritte a) bis e) auf einander abgestimmt.Steps a) to h) are carried out continuously in a common production line. A speed of impregnation f) and a speed of steps a) to e) are matched to one another.

2 zeigt eine Prinzipskizze eines weiteren Herstellungsverfahrens 1 eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs und eines weiteren direkt daran anschließenden Verarbeitungsverfahrens 2 des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs. Nachdem das Herstellungsverfahren 1 zu einem Großteil mit dem in 1 beschriebenen Herstellungsverfahren 1 übereinstimmt, wird im Folgenden lediglich auf die unterschiedlichen Merkmale bzw. Verfahrensschritte eingegangen. Die Verfahrensschritte a) bis i) werden kontinuierlich in einer gemeinsamen Produktionslinie durchgeführt. 2 shows a schematic diagram of a further manufacturing method 1 of a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod and a further directly subsequent processing method 2 of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod. After the manufacturing process 1 to a large extent with the in 1 described manufacturing method 1, only the different features or method steps will be discussed below. Process steps a) to i) are carried out continuously in a common production line.

Bei dem in 2 offenbarten Herstellungsverfahren 1 erfolgt die Kalibrierung der Kohlenstofffasern e) vor der Oberflächenbehandlung d) der Kohlenstofffasern. Bei der Imprägnierung f) wird die Matrix, mit der die Kohlenstofffaser imprägniert wird, mittels eines In-Situ Verfahrens polymerisiert.At the in 2 disclosed manufacturing method 1, the carbon fibers are calibrated e) before the surface treatment d) of the carbon fibers. In the impregnation f), the matrix with which the carbon fiber is impregnated is polymerized by means of an in-situ method.

Darüber hinaus schließt sich direkt an das Herstellungsverfahren 1 ein Verarbeitungsverfahren 2 an, bei welchem eine Fertigung i) eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug aus dem mit dem Herstellungsverfahren 1 hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab erfolgt. Das mittels des Verarbeitungsverfahrens 2 hergestellte Strukturbauteil ist beispielsweise eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug.In addition, the manufacturing method 1 is followed directly by a processing method 2 in which i) a structural component for a motor vehicle is manufactured from the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced using the manufacturing method 1 . The structural component produced using processing method 2 is, for example, a B-pillar for a motor vehicle.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The implementation of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs.

Claims (8)

Herstellungsverfahren (1) eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs mit Kohlestofffasern, insbesondere basierend auf Polyacrylnitril (PAN), welches die Schritte umfasst: a. Bereitstellung von Polyacrylnitril(PAN)-Fasern als Ausgangsmaterial (Precursor), b. Stabilisierung der Polyacrylnitril-Fasern durch Oxidierung, c. Karbonisierung der stabilisierten Polyacrylnitril-Fasern zu Kohlenstofffasern, d. Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffasern, wobei das Herstellungsverfahren (1) vor oder nach Schritt d) den Schritt umfasst: e. Kalibrierung der Kohlenstofffasern und wobei das Herstellungsverfahren (1) anschließend an die Schritte d) und e) die Schritte umfasst: f. Imprägnierung der in den Schritten a) bis e) entstandenen Kohlenstofffasern mittels eines Thermoplasts und g. Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab, insbesondere zu einem kontinuierlichen kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab.Manufacturing method (1) of a carbon fiber-reinforced thermoplastic rod with carbon fibers, in particular based on polyacrylonitrile (PAN), which comprises the steps: a. Provision of polyacrylonitrile (PAN) fibers as starting material (precursor), b. stabilization of the polyacrylonitrile fibers by oxidation, c. carbonization of the stabilized polyacrylonitrile fibers into carbon fibers, i.e. Surface treatment of the carbon fibers, wherein the production method (1) before or after step d) comprises the step: e. Calibration of the carbon fibers and wherein the manufacturing method (1) following steps d) and e) comprises the steps: f. impregnation of the carbon fibers produced in steps a) to e) by means of a thermoplastic and G. Calibration of the carbon fiber reinforced thermoplastic into a carbon fiber reinforced thermoplastic rod, in particular into a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic rod. Herstellungsverfahren (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte a) bis g) kontinuierlich in einer gemeinsamen Produktionslinie durchgeführt werden, wobei insbesondere eine Geschwindigkeit der Imprägnierung in Schritt f) und eine Geschwindigkeit der Schritte a) bis e) aufeinander abgestimmt sind.Manufacturing method (1) according to claim 1 , wherein steps a) to g) are carried out continuously in a common production line, in particular a speed of Impregnation in step f) and a speed of steps a) to e) are coordinated. Herstellungsverfahren (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Imprägnierung in Schritt f) eine Matrix, mit der die Kohlenstofffaser imprägniert wird, mittels eines In-Situ Verfahrens polymerisiert wird.Manufacturing method (1) according to claim 1 or 2 , wherein during the impregnation in step f) a matrix with which the carbon fiber is impregnated is polymerized by means of an in-situ method. Herstellungsverfahren (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Kalibrierung der Kohlenstofffasern in Schritt e) die Kohlenstofffasern gespreizt werden.Manufacturing method (1) according to one of the preceding claims, wherein the carbon fibers are spread during the calibration of the carbon fibers in step e). Herstellungsverfahren (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Kalibrierung des kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasts in Schritt g) der kohlenstofffaserverstärkte Thermoplast mittels einer Kühlvorrichtung aktiv gekühlt wird, insbesondere mit einer Temperatur von 5 bis 10°C.Production process (1) according to one of the preceding claims, wherein during the calibration of the carbon fiber reinforced thermoplastic in step g) the carbon fiber reinforced thermoplastic is actively cooled by means of a cooling device, in particular at a temperature of 5 to 10°C. Herstellungsverfahren (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Kalibrierung in Schritt g) der kohlenstofffaserverstärkte Thermoplast zu einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab mit einer spezifischen Geometrie geformt wird, insbesondere mit einer Geometrie einer flachen Ellipse.Production method (1) according to one of the preceding claims, wherein in the calibration in step g) the carbon fiber reinforced thermoplastic is formed into a carbon fiber reinforced thermoplastic rod with a specific geometry, in particular with a geometry of a flat ellipse. Verarbeitungsverfahren (2) eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs, der mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, welches die Schritte umfasst: h. Wicklung des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stabs auf eine Spule oder i. Fertigung eines Strukturbauteils, insbesondere eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, aus dem hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab, wobei die Schritte h) und i) kontinuierlich durchgeführt werden, insbesondere in einer gemeinsamen Produktionslinie mit dem Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Processing method (2) of a carbon fiber reinforced thermoplastic rod produced by a manufacturing method according to any one of the preceding claims, comprising the steps of: H. Winding the carbon fiber reinforced thermoplastic rod produced onto a spool or i. Production of a structural component, in particular a structural component for a motor vehicle, from the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced, steps h) and i) being carried out continuously, in particular in a common production line with the production method according to one of the preceding claims. Verarbeitungsverfahren (2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spule einen zu einem Durchmesser des hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast-Stab korrespondierenden Durchmesser aufweist, vorzugsweise einen Durchmesser größer als 350 mm, insbesondere einen Durchmesser größer als 500 mm, weiter insbesondere einen Durchmesser größer als 680 mm.Processing method (2) according to the preceding claim, wherein the coil has a diameter corresponding to a diameter of the carbon fiber-reinforced thermoplastic rod produced, preferably a diameter greater than 350 mm, in particular a diameter greater than 500 mm, more particularly a diameter greater than 680 mm .
DE102021122194.3A 2021-08-27 2021-08-27 Manufacturing process of a carbon fiber reinforced thermoplastic rod Pending DE102021122194A1 (en)

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