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Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile mittels matrixinfiltrierter Faserwerkstoffe

  • Stand der Technik:

    • Varianzen der Ausgangsproduktqualität verschlechtern das Endprodukt
    • Erhöhte Feuchtigkeiten beeinflussen die Verarbeitbarkeit negativ (u.a. erhöhter Tack)

    Patentrechtliche Basis / Fortführung: 198 18 379, 198 03 062; IPC B29C

    Verfahrenshinweise:

    Bei diesem Verfahren zur Herstellung sowohl flächiger als auch hohler faserverstärkter Kunststoffbauteile wird mittels Trocknung des Faser-/Matrixsystems im nicht gehärteten Zustand die Bauteilqualität sowie die Erstellung solcher Bauteile wesentlich positiv beeinflusst.

    Im Falle vorliegender sogenannter Prepregs kann mit oder ohne Absenkung der Temperatur (auch unter 0°C) sowie gleichzeitigem Vakuumeinfluss bereits das Ausgangsmaterial homogenisiert und getrocknet werden. Im weiteren Fertigungsablauf erleichtert dies durch geringeren Tack wesentlich die Fertigungsparameter.

    Des Weiteren kann im Faserwickelprozess durch eine wie oben beschriebene Trocknung der harzinfiltrierten Faser erneut sowohl der Ablegeprozess wesentlich in seiner Homogenität gesteigert werden als auch das Ablegen selbst stark erleichtert werden. Auch hier ist der wesentlich geringere Tack der Faser anzuführen.

    Im Falle von wasserhaltigen Harzsystemen (durch Lagerung; chemisch im Harzsystem bedingt z.B.: Phenolharzen) ist sowohl die Homogenisierung als auch der geringere später abzudampfende Wasseranteil anzuführen. Dies erleichtert wesentlich die Herstellung dickwandiger Strukturen ohne nachteilige Effekte des Wasserdampfes.

    Die Erfindung ist in folgendem anhand in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

    Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung flächiger Harzimprägnierter Strukturen

    Fig. 2. Zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von harzimprägnierten Rowings.

    In den Zeichnungen ist mit 1 eine Prepregbahn (Fig.1) oder ein Faserstrang (Fig.2) bezeichnet.

    In der Fig.1 ist mit 1 eine Prepregbahn bezeichnet die aus einem mit wärmeaushärtendem Kunstharz vorimprägnierten Fasergewebe, beispielsweise aus Karbonfasern, Glasfaser, Aramidfasern oder dgl. besteht. Diese Prepregbahn welche von einem Coil kommt kann in Prozessen wie in DE19818379 beschrieben bearbeitet werden (3) und anschließend weiter in Einzellagen (4a) oder in vorgelegten Stapeln (4b) verarbeitet werden. Sofern das Gewebe nun bei Temperaturen unter 0°C   (bei Atmosphärendruck) verarbeitet wird erhält man durch Aufbringen eines Vakuums besser 0,006bar ohne Übergang des Wassers (Triplepunkt) in den flüssigen Zustand getrocknete Bahnen. Die enthaltenen Wasseranteile gehen sofort in den gasförmigen Zustand über. Der unterschiedliche Wasseranteil des Rohproduktes kann somit homogenisiert werden und die Bauteilqualität wesentlich verbessert. Die Dauer des Trocknungsprozesses ist dabei sowohl von der Höhe des angelegten Vakuums als auch von der Stackstruktur abhängig. Um wirtschaftliche Ergebnisse erzielen zu können sollte der Gewebestapel eine Höhe von 100mm nicht überschreiten.

  • In der Fig.2 ist mit 1 ein Faserstrang (Rowing) bezeichnet (Karbonfasern, Glasfaser, Aramidfasern oder dgl.) der von einer Spule abgewickelt und in einem Imprägnierprozess mit einem wärmeaushärtenden Kunstharz getränkt wird (3). Der Strang muss dabei nach Stand der Technik nicht zwingend von einer Spule kommen sondern kann auch in anderen Verpackungsformen vorliegen und die Imprägnierung muss nicht in einem Harzbad (3) erfolgen sondern kann beispielsweise auch durch aufsprühen oder dgl. erfolgen. Im Bereich 4 der Figur 2 kann nun sowohl ein Kälteprozess entsprechend DE 198 03 062 oder DE 198 18 379 erfolgen, es kann jedoch auch unter Ausnützung des Dreiphasendiagramms von Wasser so vorgegangen werden, dass der Einzelstrang bei Temperaturen oberhalb von 0°C (bei Atmosphärendruck) getrocknet wird. Dabei wird dem vorliegenden Harzsystem das freie Wasser durch Absenkung des Druckes entzogen und der imprägnierte Faserstrang getrocknet. Die notwendige Druckabsenkung ist dabei abhängig von der Prozesstemperatur sowie der chemischen Bereitschaft des vorliegenden Harzsystems die Wasseranteile abspalten zu können. Liegt dabei eine Harztemperatur von ca. 60°C vor so genügen bereits in etwa 0,2bar um freies Wasser abdampfen zu lassen und einen getrockneten imprägnierten Faserstrang vorliegen zu haben. Diese technische Umsetzung kommt vor allem einem wirtschaftlich umsetzbaren kontinuierlichen Prozess entgegen. Der so getrocknete Faserstrang verhält sich deutlich homogener und lässt sich exakter positionieren. Zudem ist der im weiteren Prozess zu verdampfende Wasseranteil deutlich geringer. Dies ist bei Wandstärken größer 2cm bereits von relevantem Vorteil. Die Viskositätsänderung des Harzsystems durch den erfolgten Wasserentzug ermöglicht ebenfalls homogenere Endbauteile da ein Fließen des Matrrixwerkstoffes deutlich geringer zu verzeichnen ist. Das eigentliche Wickelwerkzeug (5) zum Erstellen der Bauteile (6) kann anschließend klassisch dargestellt sein. Jedoch sind auch entsprechende Automatisierungen durch Roboter damit deutlich einfacher da der Tack des Materials deutlich herabgesetzt wurde. Das Material greift sich abhängig vom gewählten Harzsystem deutlich trockener an. Damit lassen sich komplexe und große Bauteile wirtschaftlicher umsetzen.

    1. Es liegt damit ein Verfahren vor welches die Herstellung sowohl flächiger als auch hohler faserverstärkter Kunststoffbauteile erlaubt, bei dem durch Trocknung unter Bezug auf das Dreiphasendiagramm der Wasseranteile der Harzsysteme die imprägnierten Prepregs oder Faserstränge getrocknet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Prozess ein Übergang des Wassers unterhalb von 0°C (bei Atmosphärendruck) direkt aus dem festen in den gasförmigen Zustand erreicht wird.
    2. Ein Verfahren bei dem oberhalb von 0°C (bei Atmosphärendruck) das harzimprägnierte Material einem Unterdruck ausgesetzt wird, welcher den Übergang der Wasseranteile vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bedingt.
Fig. 1
Fig. 2

Die beiden geschilderten Verfahrensprinzipien aus Fig.1 sowie Fig.2 sind selbstverständlich auch für entsprechende Kurzfasermaterialien anwendbar. Die physikalischen Eigenschaften welche für imprägnierte Faserstränge oder Prepregs gelten haben selbstverständlich auch für imprägnierte Kurzfasern Bestand. Im Arbeitsschritt der Kühlung und Trocknung kommt die Möglichkeit in entsprechenden Chargen zu arbeiten einer kostengünstigen Produktion zusätzlich entgegen. Entsprechend getrocknete harzimprägnierte Faserstücke zeigen wesentlich geringeren Tack und können damit in zahlreichen Prozessverfahren nahezu wie Schüttgut behandelt werden.