DE102021126912A1

DE102021126912A1 - Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus einem plattenförmigen Sandwichhalbzeug

Info

Publication number: DE102021126912A1
Application number: DE102021126912.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gläßer; Peter Michel; Peter Stache
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023066800A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus einem plattenförmigen Sandwichhalbzeug, das aus einem thermoplastischen Material einer ersten Sorte gefertigt ist und zumindest in einem Teilbereich mittels Endlosfasern einer zweiten Sorte faserverstärkt ist und mit wenigstens einer Funktionskomponente gefügt ist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Separieren des plattenförmigen Sandwichhalbzeuges in wenigstens ein Sandwichzuschnittsteil und einen Verschnittrest,
- Bearbeiten des Verschnittrests zum Erhalt einer das thermoplastische Material der ersten Sorte sowie Bestandteile der Endlosfasern der zweiten Sorte enthaltenen, Materialressource,
- Thermoformen des Sandwichzuschnittsteils zum Erhalt eines geformten Sandwichzwischenproduktes sowie
- Herstellen wenigstens einer der aus der Materialressource gefertigten Funktionskomponente und Fügen der wenigstens einen Funktionskomponente an das Sandwichzwischenprodukt zum Erhalt des Sandwichbauteils bestehend aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte sowie der Endlosfasern und Bestandteilen der Endlosfasern der zweiten Sorte.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus einem plattenförmigen Sandwichhalbzeug, das aus einem thermoplastischen Material einer ersten Sorte gefertigt ist und zumindest in einem Teilbereich mittels Endlosfasern einer zweiten Sorte faserverstärkt ist und mit wenigstens einer Funktionskomponente gefügt ist.
Die Sandwichbauweise auf Basis von endlosfaserverstärkten Kunststoffen ist eine der effizientesten Leichtbautechnologien zur Herstellung großflächiger Strukturbauteile. Üblicherweise bestehen Sandwichbauteile, die sich durch eine hohe mechanische Performance, d.h. Belastbarkeit, bei gleichzeitig minimalem Gewicht auszeichnen, aus zwei hochfesten Decklagen bzw. Deckschichten, in denen Endlosfasern, beispielsweise aus Kohlenstoff, Glas oder Aramid in einer Kunststoffmatrix, aus duroplastischen oder thermoplastischen Material eingebettet vorliegen.
Zwischen den Deckschichten befindet sich eine überwiegend luftgefüllte und somit sehr leichte Kernschicht, die zudem strukturiert, bspw. in Form von Waben, oder homogenporös, bspw. als Schaum, ausgeführt sein kann.
Neben dem in den Deckschichten und der Kernschicht verarbeiteten Material, d.h. Faser- und Kunststoffmaterial, beinhalten verwertungsfertige Sandwichbauteile zumeist mindestens ein weiteres Materialsystem, das während der Fertigung eine ausreichend gute Fließfähigkeit aufweisen sollte und aus dem komplexgeformte und/oder druckbelastbare Funktionskomponenten hergestellt werden, die mit oder in dem Sandwichverbund des Sandwichbauteils zumeist stoffschlüssig verbunden sind. Derartige Funktionskomponenten sind bspw. Gehäuse, Dome, Clips, Verbindungsprofilierungen, Insert-Potting-Systeme etc..
Anwendung findet die Sandwichbauweise bereits seit Jahrzehnten vornehmlich in Hochpreissegmenten, wie der Luft- und Raumfahrt, beim Boots- und Yachtbau oder diversen Sportarten, wie Winter- oder Wassersport.
Als Matrixmaterial kommen in den genannten Anwendungsbereichen mit vergleichsweise geringen Stückzahlen duroplastische Kunststoffe, wie Epoxid- oder Polyesterharze, zum Einsatz. Jedoch sind duroplastische Kunststoffe aufgrund ihrer irreversiblen Vernetzungsreaktion nach der Bauteilherstellung nur mangelhaft recycelbar und werden nach ihrem Einsatz im Rahmen fossiler Energiegewinnung verbrannt. Demgegenüber ermöglichen moderne Verarbeitungstechnologien Sandwichverbunde aus thermoplastischen Kunststoffen in Form von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen auch in Großserien kosteneffizient herzustellen. In einer Vielzahl von Massenmärkten, wie beispielsweise im Automotivbereich, substituieren derartige Sandwichbauteile zur Gewichtsreduzierung immer mehr flächige Strukturbauteile aus Stahl.
Um diese Produkte in Bezug auf Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung zu verbessern, werden Lösungsansätze gesucht, die über das bereits erwähnte Verbrennen zum Zwecke der Energiegewinnung sowie das einfache Recycling hinausgehen.
So sind für einen nachhaltigen Einsatz thermoplastischer Sandwichbauteile zum einen der herstellungsbedingte Abfall in Form von Verschnittresten ungünstig, die sich zur Bauteilherstellung aus platten- oder bahnweise hergestellten Sandwich- oder Deckschichtmaterial ergeben; zum anderen fallen nach der Einsatzzeit der Sandwichbauteile sehr große Mengen an thermoplastischen, faserversetzten Kunststoffmaterial an, die nicht oder nur mit großen finanziellen und energetischen Aufwand einer Wiederverwertung zugeführt werden können. So enthalten aufgrund der hybriden Herstellungswege der Sandwich- und Funktionskomponenten die endgefertigten, funktionalisierten Sandwichbauteile jeweils unterschiedliche Materialzusammensetzungen, die ein nachhaltiges Recycling nahezu verunmöglichen. Doch selbst bei Einsatz eines identischen Kunststoffes in Sandwich- und Funktionskomponenten führt jedes Bauteildesign mit unterschiedlichen Volumenanteilen von Sandwich- und Funktionskomponenten zu unterschiedlichen Mengenanteilen zwischen Kunststoff- und Faseranteilen in den Sandwichbauteilen. Daraus resultiert eine unterschiedliche Gesamtmaterialzusammensetzung pro Bauteiltyp und somit nach einer stofflichen Wiederverwertung ein Recyclat, dass eine stoffliche Abhängigkeit vom Bauteiltyp besitzt. In Bezug auf den Fasergehalt bedingen diese unterschiedlichen Zusammensetzungen Unterschiede in den mechanischen Materialkennwerten, wie bspw. E-Modul und Festigkeiten. Insbesondere bei schwer oder nicht nachvollziehbaren Stoffströmen bei der Wiederverwertung von unterschiedlichen Bauteilen führt dies zu einer Materialqualität mit z.T. stark schwankenden mechanischen Eigenschaften. Derartige faserverstärkte, im Rahmen der Wiederverwertung gewonnene Verbundmaterialen stellen bei der Wiederverwendung zur Herstellung von neuen belastbaren Strukturbauteilen ein hohes sicherheitsspezifisches und somit auch wirtschaftliches Risiko dar.
Sowohl die Schwankungen des Eigenschaftsprofil vom Recyclat stofflich wiederverwerteter endlosfaserverstärkter Sandwichbauteile, als auch die hohen Mengen an Verschnittresten bei der Herstellung derartiger Bauteile stellen das Problem der zugrunde liegenden Erfindung dar.
Stand der Technik
Ein in den letzten Jahren stark in den Fokus gerückter Verfahrensweg ist die Herstellung von sandwichähnlichen Strukturbauteilen aus thermoplastischen, endlosfaserverstärkten Prepregs, sogenannten Organoblechen. Hierbei werden im Rahmen hybrider Fertigungstechnologie im ersten Schritt ein Thermoformprozess genutzt, um die Organobleche in die finale mehrfachgekrümmte Schalengeometrie zu verarbeiten. Im zweiten direkt nachfolgenden Prozessschritt erfolgt im selben Werkzeug das Fertigen einer Rippenstruktur mittels Spritzgießen oder Fließpressen. Die Rippen übernehmen am Bauteil dieselbe mechanische Stützfunktion, wie die Kernstruktur beim Sandwich mit zwei Deckschichten. Neben der Herstellung der stützenden Rippen werden auch Funktionalisierungen wie Lasteinleitungselemente direkt am Bauteil integriert. Maschinen, die für diesen Verfahrensweg geeignet sind, werden von der „KraussMaffei Group GmbH“ unter dem Markenamen „FiberForm“ oder von der „ENGEL AUSTRIA GmbH“ unter „Organomelt“ vermarktet. Hier wird zwar auf eine gute Wiederverwertbarkeit der in einer Thermoform-Spritzguss-Kombination hergestellten Bauteile verwiesen. Bei dieser Technologie besteht generell das Problem, dass immer unterschiedliche Ausgangsverbundmaterialien zur Herstellung der hybriden Bauteile verwendet werden müssen. Der Grund hierfür ist, dass ein Organoblechverbund nicht ohne Materialzusätze auch im Spritzguss verarbeitet werden kann. Somit ergibt sich nach der Wiederverwertung, dass im Abschnitt 1 erläuterte Problem, in Bezug auf die Schwankungen im Eigenschaftsprofil des wiedergewonnenen faserversetzten Rezyklats nach dem stofflichen Wiederverwerten. Zudem müssen auch Verschnittreste, die bei der Verarbeitung der flächigen Organoblech-Halbzeuge anfallen, stofflich verwertet werden, was aufgrund des hohen Fasermasseanteils nicht ohne weitere Aufbereitungsschritte mit zusätzlicher Kunststoffbeimischung möglich ist.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten „Projekt M A I sandwich“ wurden drei Verfahrenswege zur Herstellung von sortenreinen thermoplastischen Sandwichbauteilen hergeleitet. Die Unterschiede in den Verfahrenswegen sind grundsätzlich auf die untersuchten Herstellungsprozesse zum Kernmaterial zurückzuführen. Die unterschiedlichen Kernmaterialien werden jeweils im Rahmen der Bauteilherstellung während dem Warmumformen des Kerns direkt mit den zuvor thermogeformten Deckschichten zur Sandwichkomponente im formgebenden Werkzeug verpresst. Im selben Werkzeug wird zudem die Funktionskomponente, ausgeführt als Randfinish und zusätzliche Rippenversteifung spritzgegossen und hierbei direkt mit der Sandwichkomponente stoffschlüssig gefügt. Für die großserientauglichen Bauteilherstellung hat sich die Verarbeitung von PP und PA Schaumkernen als vorteilhaft erwiesen. Hierbei setzen, die im Abschlussbericht veröffentlichten Verfahrenswege, zu Gunsten der Wiederverwertbarkeit des Sandwichbauteils auf artgleiche bzw. sortenreine thermoplastische Grundpolymere als Matrixsystem von Kern und Deckschicht innerhalb der Sandwichkomponente sowie der spritzgegossen Funktionskomponente. Vernachlässigt wird, wie bei den zuvor beschrieben Organoblech verarbeitenden Hybridverfahren, der Materialmix der sich aufgrund der Verbundunterschiede der beiden Komponenten ergibt. Dies führt wiederum zur in Abschnitt 1 dargelegten Problematik in Bezug auf Verschnittreste, vom in diesem Fall Deckschichtmaterial und Eigenschaftsschwankungen im faserversetzten Recyclat bei der Herstellung unterschiedlicher Bauteiltypen.
Eine ähnliche Verfahrensweise zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit Schaumkern, ist das Schaumspritzgießen, was unter dem Markenamen MuCell® vermarktet wird. Hierbei können ebenfalls, wie bei der Technologie aus dem Projekt „Mai Sandwich“, Organobleche in Verbindung mit Spritzguss in einem Werkzeug zu Sandwichbauteilen verarbeitet werden. Der Unterschied ist, dass die Kernherstellung direkt während der Formgebung innerhalb eines physikalischen Schäumprozess erfolgt. In Bezug auf Verschnittreste, vom faserverstärkten Deckschichtmaterial sowie den Eigenschaftsschwankungen im faserversetzten Recyclat bei der Herstellung unterschiedlicher Bauteiltypen gibt es dieselben Problemstellungen. Die in Tabelle 1 aufgeführten Patentschriften beinhalten weitere Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Sandwichbauteilen für Großserienanwendungen. Jedoch beinhaltet keine der aufgeführten Schriften, Lösungsansätze zur Steigerung der Rezyklierbarkeit der Sandwichbauteile, mit denen ein Materialmix über die enthaltenen Verbundmaterialien der Sandwich- und Funktionskomponenten vermeidbar ist.
Die Druckschrift DE 10 2014 218 305 A1 beschreibt ein Sandwichelement, welches einfach herstellbar und stabil ausgebildet ist und zwei Decklagen und eine zwischen den Decklagen angeordnete Kernlage umfasst, wobei das Sandwichelement mindestens einen komprimierten, vorzugsweise randseitigen Abschnitt aufweist, an welchem ein funktionales Kunststoff-Spritzgusselement angeordnet ist.
Die Druckschrift DE 10 2000 401 682 B3 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen schallabsorbierenden Verbundkörper, bei dem ein Schaumstoff-Rohling zusammen mit einer zur Bildung eines Trägerteils dienenden plastischen Masse in ein Formpresswerkzeug oder Spritzgußwerkzeug eingebracht werden, in dem die Masse zu dem Trägerteil geformt und zur Bildung des Verbundteils mit dem Schaumstoff verbunden wird, der im Verbundkörper die Absorberschicht bildet.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde faserverstärkte und mit wenigstens einer Funktionskomponente versehene Sandwichbauteile, vorzugsweise für Leichtbauanwendungen, in einer Weise zu fertigen, die es ermöglichen soll, das Sandwichbauteil nach dessen bestimmungsgemäßen Gebrauch bzw. Verwendung vollumfänglich, d.h. ohne Materialverlust, einer materiellen Wiederverwertung zuzuführen. Das Ziel soll sein das Sandwichbauteil in Form eines möglichst sortenreinen Rezyklats zu realisieren, um die Voraussetzung für eine geschlossene, stoffliche Kreislaufwirtschaft zu schaffen. Das Verfahren soll überdies in der industriellen Großfertigung einsetzbar sein, um sortenreine Sandwichbauteile in großer Stückzahl zu wettbewerbsfähigen Stückkosten produzieren zu können.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Das lösungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen nutzt als Ausgangsprodukt ein möglichst großflächiges, plattenförmiges Sandwichhalbzeug, das aus einem thermoplastischen Material einer ersten Sorte gefertigt ist und zumindest in einem Teilbereich mittels Endlosfasern einer zweiten Sorte faserverstärkt ist.
Als besonders geeignete plattenförmige Sandwichhalbzeuge dienen Verbundstrukturen, die wenigstens zwei Schichten aufweisen, von denen in wenigstens einer Schicht die Endlosfasern der zweiten Sorte in einer Matrix aus thermoplastischen Material der ersten Sorte eingebettet sind. Insbesondere für die Herstellung von thermoplastischen endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen für Großserien-Anwendungen, die zumeist große statische sowie auch dynamische Flächenlasten standzuhalten vermögen, dienen jeweils als plattenförmiges Sandwichhalbzeug Verbundstrukturen, die über wenigstens zwei Deckschichten verfügen, in denen jeweils Endlosfasern in einer Matrix aus thermoplastischen Material der ersten Sorte eingebettet sind und die eine, zwischen beiden Deckschichten angeordnete Kernschicht aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte beidseitig begrenzen und mit dieser stoffschlüssig verbunden sind. Vorzugsweise ist die Kernschicht strukturiert und begrenzt Hohlräume, bspw. in Form einer Wabenstruktur, oder ist schaumförmig ausgebildet.
Dieses Halbzeug besteht aus einem Deckschicht-Kern-Deckschicht-Verbund dessen Kunststoffmatrix ein artgleiches thermoplastisches Grundpolymer enthält. Die jeweilige Modifikation des Grundpolymers ist entsprechend der notwendigen Eigenschaften von Kern und Deckschicht im Verbund unterschiedlich ausgeführt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde ausschließlich das Verbundmaterial, das im Sandwichhalbzeug verbaut bzw. enthalten ist, vorzugsweise gesamtheitlich, zur Herstellung des Sandwichbauteils samt der wenigstens einen Funktionskomponente zu verwenden. Dies ermöglicht, dass unterschiedliche Sandwichbauteile, die aus einem Verbundmaterial hergestellt werden, jedoch unterschiedliche Volumenanteile an beiden Komponenten aufweisen, nach ihrem Einsatz zu einem Recyclat, mit derselben Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial, stofflich wiederverwertet werden können. Da der Verfahrensweg die Herstellung von Sandwichbauteilen im Sinne einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft anstrebt, können zudem auch anfallende Verschnittreste vermieden und Eigenschaftsschwankungen im wiederverwerteten Recyclat deutlich reduziert werden.
Hierzu setzt sich das lösungsgemäße Verfahren aus den folgenden Verfahrensschritten zusammen: Das bevorratete Sandwichhalbzeug, das als eine großflächige, plattenförmige Verbundstruktur wird in wenigstens ein Sandwichzuschnittsteil und einen Verschnittrest separiert. Insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen werden möglichst großflächige Sandwichhalbzeuge bevorratet, aus denen mehr als zwei, vorzugsweise eine Vielzahl von einzelnen Sandwichbauteilen herstellbar ist. Nicht notwendigerweise, jedoch vorzugsweise besitzen alle aus einem Sandwichhalbzeug separierten sogenannten Sandwichzuschnitte die gleiche Form und Größe. Je nach verfahrenstechnischer Zielsetzung sind Anzahl, Form und Größe, der aus einem plattenförmigen Sandwichhalbzeug zu separierenden Sandwichzuschnitte geeignet zu wählen, um bspw. einen möglichst geringen, jedoch unvermeidbaren Anteil an Verschnittresten zu generieren.
Der Vorgang des Separierens, der mit bekannten, geeigneten Mitteln durchführbar ist, bspw. mittels Trenn-, Schneid- oder Stanzverfahren, ist vorzugsweise derart durchzuführen, dass das wenigstens eine Sandwichzuschnittsteil sowie der Verschnittrest jeweils über ein identisches Mengenverhältnis aus thermoplastischen Material der ersten Sorte und Endlosfasern oder Bestandteilen der Endlosfasern der zweiten Sorte besitzen.
Der im Wege der Separierung erhaltene Verschnittrest wird zum Erhalt einer Materialressource einer Bearbeitung unterzogen, die ausschließlich das thermoplastische Material der ersten Sorte sowie Bestandteile der Endlosfasern der zweiten Sorte enthält. Die Bearbeitung des Verschnittrestes erfolgt vorzugsweise im Wege einer mechanischen und/oder thermischen stofflichen Aufbereitung, durch die der Verschnittrest in die Materialressource überführt wird, die in einer partikulären Form portionierbar oder nach Aufschmelzen des thermoplastischen Materials in einer fließfähigen Form vorliegt.
Durch thermisch unterstütztes Erweichen der aus dem Verschnittrest erhaltenen Materialressource lässt sich vorzugsweise im Wege eines Thermoplastspritzgießens oder Fließpressverfahrens eine Funktionskomponente herstellen.
Das gleichfalls im Wege der Separierung gewonnene, wenigstens eine Sandwichzuschnittsteil wird im Wege einer Thermoformung, vorzugsweise im Rahmen eines thermisch unterstützten Pressumformverfahrens in ein geformtes Sandwichzwischenprodukt überführt. Vorzugsweise separat hierzu erfolgt die Herstellung wenigstens einer der aus der Materialressource zu fertigenden Funktionskomponente, bspw. in Form eines Gehäuses, Doms, Clips, Verbindungsprofilierung, Insert-Potting-Systems usw., die aufgrund ihrer Materialidentität mit dem Material des Sandwichzwischenprodukts über die gleichen Materialeigenschaften verfügt, so dass durch stoffliches Fügen der wenigstens einen fertiggestellten Funktionskomponente an das Sandwichzwischenprodukt das angestrebte Sandwichbauteil erhalten wird, das aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte sowie der Endlosfaser und Bestandteilen der Endlosfaser der zweiten Sorte besteht. Der vorzugsweise thermisch unterstütze Fügeprozess führt zu einer monolithischen Verbindung zwischen beiden Komponenten. Als Ergebnis wird ein stofflich einheitlich in Erscheinung tretendes, und durch die wenigstens eine Funktionskomponente, funktionalisiertes Sandwichbauteil erhalten.
Zur Herstellung der wenigstens einen Funktionskomponente und des Sandwichzwischenproduktes sowie deren stoffschlüssige Verbindung sind alternative Vorgehensweisen denk- und umsetzbar:

So lassen sich die wenigstens eine Funktionskomponente und das Sandwichzwischenprodukt in einem gemeinsamen Thermoformprozess unter Verwendung eines geeignet hierzu ausgebildeten Pressumformwerkzeuges herstellen. Das Fügen beider Komponenten entfällt in diesem Fall oder findet bereits insitu, d.h. während der Herstellung beider Komponentenabschnitte innerhalb des Pressumformwerkzeuges statt.

Bei separater Fertigung der wenigstens einen Funktionskomponente und des Sandwichzwischenproduktes im Wege eines Thermoformprozesses, die zeitlich hintereinander oder parallel durchgeführt werden können, erfolgt das Fügen der wenigstens einen Funktionskomponente an das Sandwichzwischenprodukt nach dem Thermoformen. Das Fügen der wenigstens einen Funktionskomponente an das Sandwichzwischenprodukt wird in diesem Fall vorzugsweise mittels einer geeignet gewählten, thermischen Fügetechnik, vorzugsweise mittels Thermoplastschweißen, durchgeführt.
Der Endlosfaser- bzw. Fasergehalt der zweiten Sorte im gesamten plattenförmigen Sandwichhalbzeug sollte einen Maximalwert von 50-Masse-Prozent, vorzugsweise 40-Masse-Prozent, im Verhältnis zum thermoplastischen Material der ersten Sorte nicht überschreiten, um eine stoffliche Weiterverwertung der Verschnittreste mittels Thermoplastspritzgießen oder Fließpressens zum Erhalt der Funktionskomponente gewährleisten zu können. Vorzugsweise ist der Faseranteil der endlosfaserverstärkten Deckschichten des Sandwichhalbzeugs stets höher gewählt, als die der Kernschicht. Somit müssen die maximalen Faser- bzw. Partikelanteile des Kerns entsprechend klein gewählt sein, um die der Deckschichten in Summe auszugleichen.
Aus Gründen einer verbesserten Separation des Sandwichbauteiles aus dem Pressumformwerkzeuges nach dem Thermoumformen ist es vorteilhaft dem Materialverbund aus thermoplastischen Material der ersten Sorte und den Fasern der zweiten Sorte Talkum beizumengen und dies in einem Mengenverhältnis von Faseranteil zu Talkum von größergleich (≥) 75%.
Im Ergebnis wird mit dem vorstehend erläuterten Verfahren ein sortenreines Recyclat in Form eines über wenigstens eine Funktionskomponente verfügenden Sandwichbauteils erhalten, dessen Sortenreinheit bei der Wiederverwertung in geeigneten stofflichen Recyclingprozessen zum Ende der Produktlebenszeit auch in unterschiedlichen weiteren Bauteilen erhalten bleibt. Das lösungsgemäße Verfahren trägt insbesondere im Einsatz großindustrieller Fertigungslinien von Sandwichbauteilen dazu bei eine großserientaugliche Wiederverwertung derartiger Recylate zu begünstigen und den Weg in eine nachhaltige und ressourcenschonende Produktionsweise zu eröffnen.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1a-h Verfahrensschritte zur Herstellung eines sortenreinen Recyclats

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den 1 a - h ist ein Beispiel für einen Verfahrensweg zur Herstellung eines sortenreinen Sandwichbauteils, das als Rezyklat dient, illustriert.
Das Ausgangsprodukt bildet in 1 a ein endlosfaserverstärktes Sandwichhalbzeug 1, das eine Verbundstruktur aus zwei Endlosfaser verstärkten Deckschichten und eine dazwischen angeordnete, strukturierte Kernschicht darstellt. Das Sandwichhalbzeug 1 besteht gesamtheitlich aus einem thermoplastischen Material einer ersten Sorte sowie Endlosfasern bzw. Faserbestandteilen einer zweiten Sorte. Vorzugsweise besteht das Sandwichhalbzeug 1 insgesamt aus 40 % Faser- und 60% Kunststoffanteil.
Im einem ersten Verfahrensschritts wird das plattenförmige Sandwichhalbzeug 1 entsprechend einer späteren gewünschten Bauteilgeometrie eines Sandwichbauteils einem Separationsschritt unterzogen, bei dem wenigstens ein Sandwichzuschnittsteil 2, vorzugsweise eine Vielzahl von in Form und Größe nicht notwendigerweise identischen Sandwichzuschnitten 2 erhalten wird, siehe 1b. Die Separation kann z.B. mittels Trenn-, Schneid- oder Stanztechnologien erfolgen.
Neben den Sandwichzuschnitten 2 fallen nach der Separation Verschnittreste 3 an, siehe 1c. , die in einem weiteren Prozessschritt stofflich aufbereitet werden, bspw. einer mechanischen Zerkleinerung 4 unterzogen werden zum Erhalt portionsfähiger Partikel 5. Die stoffliche Aufbereitung kann je nach Bedarf an die Portions- bzw. Dosierfähigkeit alternativ zur reinen mechanischen Zerkleinerung auch thermomechanisch erfolgen, z.B. mittels Compoundierung in einem passenden Extruder. Im Rahmen der stofflichen Aufbereitung darf keine Veränderung der Materialzusammensetzung der aufzubereitenden Verschnittreste 3 erfolgen.
Ein weiterer Verfahrensschritt umfasst die Verarbeitung des vorkonfektionierten Sandwichzuschnittsteils 2 im Rahmen eines thermisch unterstützten Press- bzw. Thermoformverfahrens zum Erhalt eines geformten Sandwichzwischenproduktes 7, dessen Form weitgehend der Form des finalen Sandwichbauteils entspricht, siehe 1 e, die das innerhalb eines Pressumformwerkzeuges 6 eingelegte Sandwichzuschnittsteil 2 sowie 1f, die das umgeformte Sandwichzwischenprodukt 7 innerhalb des Pressumformwerkzeuges zeigen.
In einem finalen Verfahrensschritt wird das hergestellte Sandwichzwischenprodukt 7, um wenigstens eine Funktionskomponente 8, bspw. in Form einer das Sandwichzwischenprodukt umrahmenden Halterung, vervollständigt, siehe 1g, in der das finale funktionalisierte Sandwichbauteil 9 gezeigt ist.
Das Material der wenigstens einen Funktionskomponente 8 besteht ausschließlich aus den portionsfähigen Partikeln 5, die aus dem Verschnittrest 3 gewonnen wird.
Die Herstellung der Funktionskomponente kann je nach Bauteilanforderung an das finale Sandwichbauteil, z.B. mittels Thermoplastspritzgießen oder im Fließpressverfahren erfolgen. Hierzu werden die portionsfähigen Partikeln 5, die aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte und den Faserbestandteilen der zweiten Sorte bestehen, in einen fließfähigen Zustand überführt und dienen als dosierfähige Materialressource.
In einer ersten Variante für die Herstellung der wenigstens einen Funktionskomponente 8 und deren Verbindung mit dem Sandwichzwischenprodukt 7 lassen sich dieser Maßnahme mit dem Formgebungsprozess zur Herstellung des Sandwichzwischenproduktes 7 verbinden. So wird in diesem Fall die fließ- und dosierfähige Materialressource zusätzlich zum Sandwichzuschnittsteil 7 in das Pressumformwerkzeug 6 oder in eine hierfür geeignete Pressumformwerkzeuganordnung zugegeben, in der im Rahmen eines gemeinsamen thermischen Pressumformvorganges das funktionalisierte, finale Sandwichbauteil 9 erhalten wird, siehe 1g.
In einer zweiten Variante erfolgt die Herstellung der Funktionskomponente 8 separat zur Herstellung des Sandwichzwischenproduktes 7, vorzugsweise im Wege des Thermoplastspritzgießens oder eines Fließpressverfahrens. Die separate Funktionskomponente lässt sich anschließend mittels thermischer Fügetechnik, wie beispielsweise Thermoplastschweißen, an das Sandwichzwischenprodukt 7 stoffschlüssig fügen.
Die in den Sequenzbildern der 1 a bis g illustrierten Prozessschritte werden in einer realen Großserienproduktion bedarfsweise zeitlich parallel durchgeführt, um den Ansprüchen einer industriellen Fertigung zu genügen.
Eine weitere Bearbeitung oder Veredelung der auf die beschriebenen Weise hergestellten Sandwichbauteile 9, beispielsweise mittels Kaschieren oder Beschichten der hergestellten Sandwichbauteile, ist nachträglich weiterhin möglich, sollte jedoch in Bezug auf eine spätere Wiederverwertung entsprechend lösbar bzw. entfernbar ausgeführt sein. So kann ein sortenreines Rezyklat bei der Wiederverwertung in geeigneten stofflichen Recyclingprozessen zum Ende der Produktlebenszeit auch für unterschiedliche Bauteile gewährleistet werden. Am Ende der Lebenszeit eines sortenrein hergestellten Sandwichbauteils 9 lässt sich dieses im Wege einer stofflichen Aufbereitung, bspw. durch mechanische Zerkleinerung 4 zu portionsfähigen Partikeln 5, siehe 1 h, einer materiellen Wiederverwertung im Rahmen eines geschlossenen Kreislaufes wiederverwerten, unter Beibehaltung der ursprünglichen Sortenreinheit.
Besonders eignet sich das lösungsgemäß hergestellte, über wenigstens eine Funktionskomponente verfügende Sandwichbauteil als flächiges, Last-tragendes Bauteil im Bereich Elektromobilität Automotiv, Karavan, Schiffs-, Schienen- und Flugzeugbau, Sportgeräte, bspw. in Form von Long-Boards, Surf- und Kite-Boards, Ski etc. oder als Tragstruktur von Photovoltaik-Modulen. Die durch die lösungsgemäße Bauteilherstellung gewonnene Sortenreinheit des Bauteils, bspw. in Form einer PV-Tragstruktur, ermöglicht eine vollständige Rückführung des Bauteilmaterials nach Ende des Tragstruktur-Einsatzes in einen Recyclingprozess als Materialressource für die Herstellung neuer kurz- oder langfaserverstärkter Thermoplastbauteile.
Bezugszeichenliste

1: Sandwichhalbzeug
2: Sandwichzuschnittsteil
3: Verschnittrest
4: mechanische Zerkleinerung
5: portionsfähige Partikel
6: Pressumformwerkzeug
7: Sandwichzwischenprodukt
8: Funktionskomponente
9: funktionalisiertes Sandwichbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014218305 A1 [0013]
DE 102000401682 B3 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen (9) aus einem plattenförmigen Sandwichhalbzeug (1), das aus einem thermoplastischen Material einer ersten Sorte gefertigt ist und zumindest in einem Teilbereich mittels Endlosfasern einer zweiten Sorte faserverstärkt ist und mit wenigstens einer Funktionskomponente (8) gefügt ist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Separieren des plattenförmigen Sandwichhalbzeuges (1) in wenigstens ein Sandwichzuschnittsteil (2) und einen Verschnittrest (3), - Bearbeiten des Verschnittrests (3) zum Erhalt einer das thermoplastische Material der ersten Sorte sowie Bestandteile der Endlosfasern der zweiten Sorte enthaltenen, Materialressource, - Thermoformen des Sandwichzuschnittsteils (2) zum Erhalt eines geformten Sandwichzwischenproduktes (7) sowie - Herstellen wenigstens einer der aus der Materialressource gefertigten Funktionskomponente (8) und Fügen der wenigstens einen Funktionskomponente (8) an das Sandwichzwischenprodukt (7) zum Erhalt des Sandwichbauteils (9) bestehend aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte sowie der Endlosfasern und Bestandteilen der Endlosfasern der zweiten Sorte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren derart erfolgt, dass das wenigstens eine Sandwichzuschnittsteil (2) und der Verschnittrest (3) jeweils wenigstens einen endlosfaserverstärkten Teilbereich enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren derart verfolgt, dass das wenigstens eine Sandwichzuschnittsteil (2) sowie der Verschnittrest (3) jeweils über ein identisches Mengenverhältnis aus thermoplastischen Material der ersten Sorte und Endlosfasern oder Bestandteilen der Endlosfasern der zweiten Sorte besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten des Verschnittrests (3) im Wege einer mechanischen und/oder thermischen stofflichen Aufbereitung erfolgt, durch die der Verschnittrest (3) in die Materialressource überführt wird, die partikulär portionierbar vorliegt oder durch Aufschmelzen des thermoplastischen Materials riesel- oder fließfähig dosierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoformen des Sandwichzuschnittsteils (2) zum Erhalt eines geformten Sandwichzwischenproduktes (7) im Rahmen eines thermisch unterstützen Pressformverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der wenigstens einen, der aus der Materialressource gefertigten Funktionskomponente (8) separat zur Herstellung des Sandwichzwischenproduktes (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der wenigstens einen, der aus der Materialressource gefertigten Funktionskomponente (8) im Wege eines Thermoplastspritzgießens oder Fließpressverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der wenigstens einen Funktionskomponente (8) und das Fügen an das Sandwichzwischenprodukt (7) gekoppelt mit dem Thermoformen des Sandwichzuschnittsteils (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der wenigstens einen Funktionskomponente (8) und das Fügen der Funktionskomponente (8) an das Sandwichzwischenprodukt (7) nach dem Thermoformen des Sandwichzuschnittsteils (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen der wenigstens einen Funktionskomponente (8) an das Sandwichzwischenprodukt (7) mittels stoffschlüssiger Fügetechnik durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Funktionskomponente (8) an das Sandwichzwischenprodukt (7) mittels Thermoplastschweißen gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als plattenförmiges Sandwichhalbzeug (1) eine thermoplastische, endlosfaserverstärkte Verbundstruktur bereitgestellt wird, die wenigstens zwei Schichten aufweist, von denen in wenigstens einer Schicht Endlosfasern in einer Matrix aus thermoplastischen Material der ersten Sorte eingebettet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als plattenförmiges Sandwichhalbzeug (1) eine thermoplastische, endlosfaserverstärkte Verbundstruktur bereitgestellt wird, die wenigstens zwei Deckschichten aufweist, in denen jeweils Endlosfasern in einer Matrix aus thermoplastischen Material der ersten Sorte eingebettet sind, und dass die zwei Deckschichten eine zwischenliegende Kernschicht aus dem thermoplastischen Material der ersten Sorte beidseitig begrenzen und mit dieser stoffschlüssig verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht strukturiert ist und Hohlräume begrenzt oder schaumförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Sandwichhalbzeug (1) folgende Gewichts-Mengenanteile aufweist: größergleich (≥) 50 % thermoplastisches Material der ersten Sorte sowie kleinergleich (≤) 50 % Faseranteil der zweiten Sorte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Sandwichhalbzeug (1) folgende Gewichts-Mengenanteile aufweist: größergleich (≥) 60 % thermoplastisches Material der ersten Sorte sowie kleinergleich (≤) 40% Faseranteil der zweiten Sorte sowie Talkum, mit einem Mengenverhältnis von Faseranteil zu Talkum von größergleich (≥) 75%.
Sortenreines Recyclat in Form eines über wenigstens eine Funktionskomponente (8) verfügenden Sandwichbauteils (9) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verwendung des sortenreinen Recyklats nach Anspruch 17 als flächiges, Last-tragendes Bauteil im Bereich Elektromobilität Automotiv, Karavan, Schiffs-, Schienen- und Flugzeugbau, Sportgeräte, oder als Tragstruktur von Photovoltaik-Modulen.