DE3523697A1 - Verfahren zur herstellung eines formkoerpers aus einem mit endlosfasern verstaerkten thermoplastischen kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem mit Endlosfasern verstärkten thermo­ plastischen Kunststoff, bei dem als Ausgangsmaterial platten- oder bandförmige Lagen des mit Endlosfasern verstärkten ther­ moplastischen Kunststoffes verwendet werden.

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe haben sich zur Herstellung hochbelasteter Bauteile, beispielsweise in der Luftfahrt, durchgesetzt, sie werden für andere Industriezweige zunehmend mehr verwendet. Dabei wurden bisher hauptsächlich faserver­ stärkte duroplastische Kunststoffe eingesetzt. Endlosfaserver­ stärkte thermoplastische Kunststoffe konnten sich trotz ihrer Vorteile gegenüber faserverstärkten duroplastischen Kunststof­ fen (z.B. bessere Schlagzähigkeit, problemlose Lagerung) wegen ihrer verarbeitungstechnischen Schwierigkeiten nicht durch­ setzen.

Der übliche Weg für die Herstellung von Bauteilen aus endlos­ faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen führt über die Herstellung ebener Platten, die anschließend zum Teil in mehre­ ren Stufen zu Bauelementen weiter umgeformt werden. Dabei ist aber ein Einlegen von mehreren Einzellagen in gekrümmte For­ men und anschließendes Verpressen, wie es bei faserverstärkten duroplastischen Kunststoffen üblich ist, wegen der hohen Ei­ gensteifigkeit der Einzellagen der thermoplastischen Kunst­ stoffe nicht möglich.

Bei den bisher verwendeten Herstelltechniken endlosfaserver­ stärkter thermoplastischer Kunststoffe ergeben sich nach ei­ nem Umformvorgang in den Ecken häufig wellige Fasern, die die Tragfähigkeit verringern. Zum Zusammenfügen mehrerer Lagen werden beispielsweise Kleber eingesetzt, jedoch sind geeignete Kleber für hochtemperaturbeständige Thermoplaste nicht ver­ fügbar, so daß diese Technik bei hochtemperaturbeständigen Formkörpern nicht eingesetzt werden kann.

Eine direkte Verbindung der Thermoplaste durch Anschmelzen der Verbindungsstelle mittels Wärmezufuhr von außen konnte bisher nur in einer speziellen Form erfolgen, da sonst die platten­ förmigen Vorprodukte ihre Formbeständigkeit vollständig ver­ loren. Ein Ultraschallschweißen im Verbindungsbereich ist bei größeren Teilen wegen der benötigten Energiemenge sehr proble­ matisch, ein Aufheizen im Verbindungsbereich mittels Heiz­ draht hat den Nachteil, daß die Heizdrähte im Bauteil zurück­ bleiben müssen.

Nietverbindungen sind sehr aufwendig und haben den Nachteil, daß durch die Nietbohrungen Fasern durchschnitten werden. Ferner werden durch die metallische Niete Korrosionsprobleme erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Herstellverfahren für Form­ körper aus endlosfaserverstärkten, platten- oder bandförmigen Thermoplasten zu entwickeln, mit dem auch komplizierte Form­ körper mit guten Festigkeitseigenschaften in einfacher Weise hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Lagen auf ei­ ne erwärmte Formfläche auflegt und sie durch diese Formfläche so stark erwärmt, daß die Lage verformbar und an ihrer der Formfläche zugewandten Seite erweicht wird, und daß man die Lage zu einem Zeitpunkt nach Beginn der Erwärmung an die Form­ fläche andrückt, zu der die der Formfläche abgewandte Seite noch nicht erweicht und noch nicht klebrig ist.

Durch das Auflegen einer endlosfaserverstärkten Lage auf eine erwärmte Formfläche wird die aufgelegte Lage von ihrer Unter­ seite her zunehmend erwärmt. Dabei ist wesentlich, daß durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der thermoplastischen Kunst­ stoffe ein Temperaturgefälle im Inneren der Lage entsteht, das heißt die Lage kann an ihrer der Formfläche zugewandten Unter­ seite bereits erweicht sein, während sie an ihrer der Form­ fläche abgewandten Oberseite noch fest und nicht klebrig ist. Dadurch wird es möglich, die Lage mittels eines geeigneten Werkzeuges, zum Beispiel mittels einer Walze, an die Formfläche anzudrücken und so ihre Form der Kontur der Formfläche optimal anzupassen. Da die Lage an ihrer der Formfläche zugewandten Seite erweicht ist, paßt sie sich der Formfläche ohne weiteres an, wobei auch die Fasern im Inneren der Lage beim Umformen keine die Festigkeit verringernden Umorientierungen erfahren.

Wenn man die Walzen kühlt, kann man ein Andrücken der Lage an die Formfläche auch dann noch vornehmen, wenn die Temperatur an der der Formfläche abgewandten Seite der Lage bereits re­ lativ hoch ist, denn man kann dadurch im Andruckbereich der Erwärmung und damit der Erweichung entgegenwirken. Dies ist insbesondere bei Verwendung sehr dünner Lagen von Vorteil, außerdem wird durch die Verwendung gekühlter Walzen der Zeit­ raum verlängert, in dem das Andrücken erfolgen kann.

Das Andrücken der Lage an die Formfläche bringt diese im übri­ gen in besseren Wärmekontakt mit der Formfläche, so daß gera­ de durch das Andrücken der Erweichungsvorgang in dem der Form­ fläche naheliegenden Bereich beschleunigt wird, während an der Außenseite, insbesondere bei gekühlter Walze, der Temperatur­ anstieg weiterhin langsam verläuft. Dadurch erhält man eine optimale Anpassung der Lage an die Formfläche, ohne daß die Lage an der Andruckwalze haften bleibt.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorge­ sehen, daß man zur Herstellung eines mehrlagigen Formkörpers die unterste Lage auf die Formfläche einer beheizten Form auf­ legt und darauf nacheinander mehrere Lagen des mit Endlosfa­ sern verstärkten Kunststoffes ablegt, wobei man zur Herstellung einer einstückigen Verbindung jede Lage an die darunterliegende andrückt, sobald die jeweils untere Lage und die dieser zuge­ wandte Seite der jeweils oberen Lage angeschmolzen sind. Auch hier kann das Anschmelzen der der darunterliegenden Lage zu­ gewandten Seite der oberen Lage durch das Andrücken selbst be­ schleunigt werden, so daß gerade im Augenblick des Andrük­ kens die geeigneten Bedingungen für die einstückige Verbin­ dung der aufeinanderliegenden Lagen erst geschaffen werden. Auch in diesem Falle ist es daher möglich, die oberste Lage mit der darunterliegenden zu einem Zeitpunkt zu verbinden, an dem die oberste Lage an ihrer der Formfläche abgewandten Seite noch nicht erweicht und klebrig ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Formkörper nach dem Auflegen der Lagen des mit Endlosfasern verstärkten Kunststoffes durch Vakuum- oder durch Preßdruck in einem Autoklaven konsolidiert wird. Dadurch wird die Qualität des Formkörpers insgesamt ver­ bessert.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dienen im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittansicht einer gekrümmten Formfläche bei der Herstellung eines mehrlagigen Formkör­ pers aus endlosfaserverstärktem, thermoplasti­ schem Kunststoff;

Fig. 2: eine Schnittansicht eines Formkernes zur Herstel­ lung eines Hohlkörpers und

Fig. 3: eine Schnittansicht ähnlich Fig. 1 bei der Her­ stellung eines gekrümmten Formkörpers mit einge­ legtem Verstärkungsprofil.

In Fig. 1 ist eine Form 1 mit einer wannenförmigen, im Quer­ schnitt etwa kreisbogenförmigen Formfläche 2 dargestellt, die über im Inneren der Form verlaufende Heizelemente 3 be­ heizbar ist. Die Heizelemente sind vorzugsweise von einer Heizflüssigkeit, zum Beispiel Öl, durchflossene Formkanäle, es können aber auch eingebettete elektrische Heizelemente oder dergleichen verwendet werden. Durch die Heizelemente wird die Form im Bereich ihrer Formfläche 2 aufgeheizt.

Auf die Formfläche 2 ist eine untere Lage 4 eines endlosfaser­ verstärkten, thermoplastischen Kunststoffes aufgelegt, die an die Kontur der Formfläche 2 vollständig angepaßt ist.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie auf diese untere Lage 4 eine obere Lage 5 eines endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffes aufgebracht wird. Diese Aufbringung der oberen Lage 5 erfolgt zu einem Zeitpunkt, an dem die auf die Form­ fläche 2 aufgelegte untere Lage 4 durch die Beheizung in der Form 1 so weit erwärmt ist, daß an ihrer Oberseite die Er­ weichungstemperatur erreicht ist, das heißt die auf die Form­ fläche 2 aufgelegte untere Lage 4 ist insgesamt erweicht.

Die obere Lage 5 wird ohne vorherige Erwärmung auf die untere Lage 4 aufgelegt, wobei sie im Kontaktbereich durch die unte­ re Lage 4 erwärmt wird. Die Erwärmung erfolgt entsprechend der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit thermoplastischen Kunst­ stoffmaterials langsam, so daß sich über die Dicke der oberen Lage ein Temperaturgradient ergibt. Dadurch wird die obere Lage zunächst auf ihrer der unteren Lage 4 zugewandten Seite über die Erweichungstemperatur erwärmt, in diesem Bereich kann sich die obere Lage mit der unteren, erweichten Lage einstückig verbinden. Diese Verbindung wird durch eine Walze 6 unter­ stützt, die die obere Lage 5 gegen die untere Lage 4 andrückt. Dabei dient diese Walze 6 neben der einstückigen Verbindung der beiden Lagen auch dazu, die obere Lage 5 überhaupt in innigen Kontakt mit der unteren Lage 4 zu bringen, so daß ein effektiver Wärmeübergang erfolgen kann. Dies ist insbe­ sondere dann notwendig, wenn komplizierte Formen hergestellt werden sollen, denn dann kann die obere Lage 5, die aufgrund ihrer niedrigen Temperatur nur schwer zu verformen ist, nur in dem Bereich verformt und dadurch fest gegen die untere La­ ge gedrückt werden, der dem Kontaktbereich zwischen oberer und unterer Lage eng benachbart ist. Bei dem Ausführungsbei­ spiel der Fig. 1 wird die Walze längs einer parallel zur Oberseite der unteren Lage angeordneten Fläche verfahren und drückt dabei die obere Lage zunehmend gegen die untere Lage, wobei die obere Lage überhaupt erst in Kontakt mit der unte­ ren Lage kommt, so daß eine Erweichung und Erwärmung ein­ treten kann. Die Walze wird dabei so langsam verfahren, daß im Andruckbereich die Temperatur zumindest auf der Untersei­ te der oberen Lage über die Schmelztemperatur steigen kann, so daß eine einstückige Verbindung möglich wird.

Auf diese Weise kann die obere Lage vollflächig einstückig mit der unteren Lage verbunden werden.

Auf die aus der einstückigen Verbindung der oberen Lage und der unteren Lage gebildete neue untere Lage kann in der gleichen Weise eine weitere obere Lage aufgebraucht werden, das heißt es gelingt mit diesem Verfahren, einen mehrlagi­ gen Formkörper zu bilden, in dem die verschiedenen Lagen einstückig miteinander verbunden sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden die Lagen nacheinander auf eine Form 1 in Form eines Wickeldornes gewickelt, ansonsten wird auch hier die gleiche Technik verwendet. Auf diese Weise kann ein Hohlkörper hergestellt werden, aus dem nach Erkalten der Form diese in Achsrich­ tung herausgezogen werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird auf eine untere Lage 4, die der unteren Lage 4 der Fig. 1 vollständig ent­ spricht, ein vorbereiteter, zum Beispiel strangezogener, Profilkörper 9 aufgedrückt, der Andruckflächen 7 aufweist, deren Formgebung der Oberseite des in der Form hergestellten Formkörpers 8 entspricht. Durch den Andruck und die dadurch erfolgte Erwärmung im Bereich der Andruckflächen 7 können Profilkörper 9 und Formkörper 8 einstückig verbunden werden.

Wesentlich ist in allen Fällen, daß bei der Verbindung die je­ weils obere Lage nur im Anlagebereich an der unteren Lage über den Schmelzpunkt erwärmt wird und auf der gegenüberliegenden Seite noch eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes auf­ weist, so daß an der Oberseite der oberen Lage Andruckwerk­ zeuge angreifen können, ohne an der oberen Lage zu kleben. Außerdem bleibt die obere Lage durch die nur einseitige Erwär­ mung insgesamt formstabil und handhabbar, wobei durch die nach dem Anpressen erfolgende, die ganze Lage erfassende Er­ wärmung die Endlosfasern in der oberen Lage sich spannungsfrei so orientieren können, daß auch im Bereich stärkerer Verfor­ mungen gleichmäßige Festigkeitseigenschaften erzielt werden.

Es versteht sich, daß sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf das beschriebene Herstellungsverfahren erstreckt, sondern auch auf die mittels dieses Verfahrens hergestellten Produkte.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem mit Endlosfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, bei dem als Ausgangsmaterial platten- oder bandförmige Lagen des mit Endlosfasern verstärkten thermoplastischen Kunst­ stoffes verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lagen auf eine erwärmte Formfläche auflegt und sie durch diese Formfläche so stark erwärmt, daß die Lage ver­ formbar und an ihrer der Formfläche zugewandten Seite er­ weicht wird, und daß man die Lage zu einem Zeitpunkt nach Beginn der Erwärmung an die Formfläche andrückt, zu der die der Formfläche abgewandte Seite noch nicht erweicht und noch nicht klebrig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lagen mittels Walzen an die Formfläche andrückt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Walzen kühlt.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung eines mehrlagigen Formkörpers die unterste Lage auf die Formfläche einer be­ heizten Form auflegt und darauf nacheinander mehrere Lagen des mit Endlosfasern verstärkten Kunststoffes ablegt, wo­ bei man jede Lage zur Herstellung einer einstückigen Ver­ bindung an die darunterliegende andrückt, sobald die je­ weils untere Lage und die dieser zugewandte Seite der je­ weils oberen Lage angeschmolzen sind.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach dem Auflegen der Lagen des mit Endlosfasern verstärkten Kunststoffes durch Vakuum- oder durch Preßdruck in einem Autoklaven konso­ lidiert wird.