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DE102010062057A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen - Google Patents

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DE102010062057A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen.
  • Gewebeverstärkte Faserverbundwerkstoffe werden häufig nach dem RTM-Verfahren (resin-transfer-moulding) oder dem RIM-Verfahren (reaction-injection-moulding) hergestellt. Dabei werden Gewebe oder textile Strukturen dicht in ein Werkzeug gepackt und fixiert. In das mit einer Presse fixierte, geschlossene Werkzeug wird dann ein Harz-Härter-Gemisch (Harzsystem) injiziert.
  • Verfahren dieser Art sind bekannt und werden beispielsweise im Handbuch „Faserverbundwerkstoffe" von Gottfried Ehrenstein, Hanser Verlag, auf den Seiten 165 und 166 beschrieben.
  • WO 2009/077616 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils durch Tränken eines Trägermaterials mit schäumfähigen Reaktivharzen (PU-, Epoxy- oder UP-Harz) und anschließenden Aufschäumen und Aushärten des Harzes. Man kann auf diese Weise Hybridschäume herstellen.
  • Bei dem RTM-Verfahren treten verschiedene Probleme auf. Ein grundlegendes Problem ist, dass dabei ein Reaktionsharz dicht gepackte Faserstrukturen durchdringen muss. Das gelingt oft nur mit großem Aufwand, beispielsweise durch sehr hohe Drücke, Anlegen von Vakuum, spezielle niedrigviskose Formulierungen oder durch kurzzeitiges Öffnen und Wiederschließen des Werkzeugs.
  • Es ist bei den bekannten Verfahren schwierig, die dicht gepackten Fasern (oftmals bei Füllgraden bis zu 70 Vol-% mit Glas- oder Kohlefasern), gleichmäßig und vollständig in kurzer Zeit mit dem Harzsystem zu durchtränken.
  • Beim Befüllen fangen schnell katalysierte Systeme schon an zu reagieren. Das Werkzeug wird nicht mehr vollständig gefüllt. Es müssen daher meist niedrigviskose Harzsysteme verwendet werden, denn in der Regel ist eine langsame Polymerisationsreaktion angestrebt, damit das Harz das Werkzeug möglichst vollständig durchdringen kann.
  • Das Harzsystem fließt zudem nicht gleichmäßig durch das fasergefüllte Werkzeug. Es gibt mehr oder weniger ungefüllte Stellen.
  • Es gibt oft Lufteinschlüsse, die das Harzsystem nicht verdrängen konnte.
  • Durch die Injektion kann es außerdem zu Verschiebungen der textilen Strukturen kommen, was zu schlechteren mechanischen Eigenschaften des Bauteils führt.
  • Die für die Injektion erforderliche Zeit verlängert die Belegungsdauer des Werkzeuges und reduziert den Durchsatz.
  • Nach dem Stand der Technik werden Gießmaschinen mit Niederdruck- oder Hochdruckpumpen für die Förderung der Harz- und Härterkomponenten über eine Mischkammer in das Werkzeug eingesetzt. Je nach Reaktivität und Viskosität der Komponenten müssen sehr kostspielige Verarbeitungsmaschinen mit Hochdruckpumpen verwendet werden.
  • Das aus dem Stand der Technik bekannten RIM- oder RTM-Verfahren hat somit einige Nachteile. Desweiteren handelt es sich im Regelfall um ein Batch-Verfahren mit oftmals langen Füllzeiten der Form. Nach dem Entnehmen des Formteils muss dann meist die Form gereinigt werden, was zeitaufwändig ist.
  • Es stellte sich somit die Aufgabe, die erwähnten Probleme zu überwinden. Insbesondere sollte die Durchlaufzeit verringert und die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beschleunigt werden, wodurch es im Regelfall auch zu einer Wirtschaftlichkeitsverbesserung kommen sollte.
  • Überraschenderweise konnte Abhilfe durch flächiges Einbringen des Reaktionsharzes mittels eines Trägers erreicht werden. Der Träger kann beispielsweise ein Gewebe (Prepreg), Vlies oder offenzelliger Schaumstoff sein.
  • Der Begriff ”offenzellig” bezeichnet eine Schaum-Struktur, die dadurch definiert ist, dass jede Zelle mindestens zwei Poren oder zerstörte Flächen aufweist. Außerdem muss die Mehrheit der Zellrippen zu mindestens drei Zellen gehören. Geschlossenzellige Schäume werden in der Regel auf der Basis von Polyurethan (PU), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethacrylimid (PMI) und Polystyrol (PS) hergestellt (siehe Arnim Kraatz, Dissertation 2007, Universität Halle).
  • Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, mit den folgenden Schritten: (i) Tränken eines Trägers (T) mit mindestens einem reaktionsfähigen Harz (H), (ii) Einbringen des mit mindestens einem reaktionsfähigen Harz getränkten Trägers in ein Werkzeug (W), (iii) Einbringen mindestens eines Fasern enthaltenden Körpers (K) in das Werkzeug (W), (iv) Aushärten des mindestens einen reaktionsfähigen Harzes im Werkzeug.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Fasern enthaltende Körper (K) (Gewebe, textile Strukturen) zum Teil vor dem Einbringen des harzgetränkten Trägers in das Werkzeug eingelegt. Nach dem Einbringen des harzgetränkten Trägers werden weitere Fasern enthaltende Körper (K) (textile Strukturen) eingelegt. Der harzgetränkte Träger (T) befindet sich somit zwischen den textilen Strukturen.
  • Bevorzugt ist der Fasern enthaltende Körper (K) textiler Struktur.
  • Mit Werkzeug sind zwei- oder mehrgeteilte Formen aus Stahl, Aluminium oder mineralisch verstärktem Kunststoff gemeint. Beim bevorzugten Verfahren sind die Formen zweigeteilt (Ober- und Unterschale) und in eine Presse eingebaut. Die dabei auftretenden Pressdrücke liegen zwischen üblicherweise zwischen 5 und 20 bar. Bevorzugt sind die Werkzeuge für größere, flächige Teile ausgelegt. Die üblichen Verarbeitungstemperaturen der Reaktionsharze liegen zwischen 25°C und 90°C, die Werkzeugtemperaturen liegen normalerweise zwischen 40°C und 120°C.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Träger saugfähig. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „saugfähig”, dass das verwendete Reaktionsharz in den benötigten Mengen, die von den Teilegeometrien und dem Faseranteil abhängen, aufgenommen werden kann, ohne abzutropfen.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von glas- oder kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen wird also ein Harz in einen Träger, bevorzugt in einen saugfähigen Träger, eingebracht.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Träger (T) ausgewählt aus der Gruppe umfassend Gewebe (Prepreg), Vliese, offenzellige Schaumstoffe.
  • Besonders bevorzugt wird als Träger erfindungsgemäß ein offenzelliger Schaumstoff verwendet, ganz besonders bevorzugt ein offenzelliger Schaumstoff auf Basis von Melaminharz (z. B. Basotect® der BASF SE) verwendet. Basotect® ist ein offenzelliger Melamin/Formaldehydschaum sehr geringer Dichte und geringer Brennbarkeit und ist sehr saugfähig.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Schritt (ii) vor Schritt (iii) durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Schritt (iii) vor Schritt (ii) durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Schritt (iii) jeweils vor und nach Schritt (ii) durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte (ii) und (iii) gleichzeitig durchgeführt.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das reaktionsfähige Harz (H) ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyurethanharze, Polyesterharze, Epoxidharze, Phenolharze, Melaminharze, Harnstoffharze, Furanharze, Siliconharze, Vinylharze und Gußpolyamid (aktiviertes Caprolactam). Geeignete Harze werden im Kunststoffhandbuch Band 10, Duroplaste von Becker und Braun, Hanser Verlag, beschrieben.
  • Bevorzugt ist das reaktionsfähige Harz ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyurethanharze, Polyesterharze, Epoxidharze und aktiviertes Caprolactam.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Fasern enthaltenden Körper (K) ausgewählt aus Glasfaser- und Kohlefasermatten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Durch Tränken eines Trägers, bevorzugt eines saugfähigen Trägers, besonders bevorzugt eines offenzelligen Schaumstoffs, wie Basotect®, mit einem Harzsystem (z. B. Polyurethan-, Polyester-, Epoxidharz oder aktiviertes Caprolactam (Gußpolyamid)) lassen sich für begrenzte Zeit auch reaktive Harzsysteme lagern und transportieren. Die flüssigen Harzsysteme müssen dann nicht in das mit Gewebe gefüllte Werkzeug injiziert oder vergossen werden, sondern können durch Einlegen des mit dem Harzsystem getränkten Schaumstoffs in das Werkzeug eingebracht werden. Mit Schließen des beheizten Werkszeugs und Verdichten wird die Struktur des offenzelligen Schaums zerstört, das Harzsystem verteilt sich in der Form und tränkt das Fasermaterial.
  • Die verbleibenden Schaumstoffteile verstärken in einer bevorzugten Ausführungsform die Struktur des Bauteils und tragen bevorzugt, weil unbrennbar, zum Flammschutz bei.
  • Durch das örtliche Trennen von Infusion und Aushärtung erhöht sich die Zykluszeit des Werkzeuges, was einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil darstellt.
  • Die Tränkung des Trägermaterials kann bei niedrigerer Temperatur als im Werkzeug stattfinden, dadurch erhöht sich die Topfzeit des Harzsystems und es können auch sehr reaktive Systeme eingesetzt werden.
  • Beim „klassischen” RTM-Prozess können nur niedrigviskose Komponenten zum Einsatz kommen, beim vorgeschlagenen Verfahren können auch höher viskose Harze, Härter oder Additive zum Einsatz kommen, da sich der erforderliche Fließweg des Harzsystems im Bauteil sich auf wenige Millimeter beschränkt.
  • Ein Verschieben der textilen Strukturen ist durch das vorgeschlagene Verfahren ausgeschlossen, weil keine Flüssigharze mit hohem Druck durch die Fasern gedrückt werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verbundwerkstoff, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Verbundwerkstoffs zur Herstellung von Verbundbauteilen zur Verwendung im Transportwesen, zum Beispiel im Automobilbau.
  • Beispiele
  • Nachfolgend werden einige Beispiele angeführt, die einige Aspekte der Erfindung verdeutlichen sollen. Keinesfalls soll dadurch die Erfindung in ihrem Umfang eingeschränkt werden.
  • Vergleich:
  • In eine Stahlform der Größe: 200 × 50 × 2 mm3 wurden 5 Glasfasermatten (Fa. Interglas Style 92146 (90/10) FK800) eingelegt. Bei einer Formtemperatur von etwa 100°C wurde dann gravimetrisch und unter Zuhilfenahme eines leichten Vakuums ein Epoxidharzsystem der BASF (Baxxores® 2200, Baxxodur® ECX 2110) eingeführt.
  • Der Versuch wurde mehrmals wiederholt. Es gelang nicht, mit den vorhandenen Mitteln die Glasfasermatten vollständig zu durchdringen.
  • Erfindungsgemäßes Beispiel:
  • Eine 4 mm dicke Schaumstoffmatte aus Basotect® wurde mittels einer Rakel mit Epoxidharz gleichmäßig durchtränkt. Dabei lag die Harzaufnahme bei etwa 2 kg/m2 Schaumstoffmatte.
  • Ein entsprechend großes Stück der getränkten Basotect®-Platte (200 × 50 × 2 mm3) wurde zusammen mit den 5 Glasfasermatten in das offene Werkzeug eingelegt, das Werkzeug geschlossen und evakuiert. Dabei war es von Vorteil, den Basotect®-Schaum zwischen die Matten zu legen und nicht auf die Außenseiten. Es gelang, gute Teile zu fertigen.
  • 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
    • WO 2009/077616 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Faserverbundwerkstoffe” von Gottfried Ehrenstein, Hanser Verlag, auf den Seiten 165 und 166 [0003]
    • Arnim Kraatz, Dissertation 2007, Universität Halle [0016]
    • Band 10, Duroplaste von Becker und Braun, Hanser Verlag [0029]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, mit den folgenden Schritten: (i) Tränken eines Trägers (T) mit mindestens einem reaktionsfähigen Harz (H), (ii) Einbringen des mit mindestens einem reaktionsfähigen Harz getränkten Trägers in ein Werkzeug (W), (iii) Einbringen mindestens eines Fasern enthaltenden Körpers (K) in das Werkzeug (W), (iv) Aushärten des mindestens einen reaktionsfähigen Harzes im Werkzeug.
  2. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (ii) vor Schritt (iii) durchgeführt wird.
  3. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (iii) vor Schritt (ii) durchgeführt wird.
  4. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (iii) jeweils vor und nach Schritt (ii) durchgeführt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte (ii) und (iii) gleichzeitig durchgeführt werden.
  6. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Träger (T) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Gewebe (Prepreg), Vliese, offenzellige Schaumstoffe.
  7. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger (T) ausgewählt ist aus offenzelligen Schaumstoffen.
  8. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Träger (T) ein offenzelliger Schaumstoff auf Basis von Melaminharz ist.
  9. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das reaktionsfähige Harz (H) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyurethanharze, Polyesterharze, Epoxidharze und aktiviertes Caprolactam.
  10. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Fasern enthaltende Körper (K) ausgewählt ist aus Glasfaser- und Kohlefasermatten.
  11. Verbundwerkstoff, herstellbar nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Verwendung eines nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 10 herstellbaren Verbundwerkstoffs zur Herstellung von Verbundbauteilen zur Verwendung im Transportwesen.
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