DE19803965A1

DE19803965A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung

Info

Publication number: DE19803965A1
Application number: DE19803965A
Authority: DE
Inventors: Christian Pohl; Gerry Boyce
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: DE19803965B4

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Verfahren kann überall dort angewandt werden, wo Hohlkörper mit unterschiedlicher Wanddicke und definierter Außenfläche benötigt werden.

Stand der Technik

Hohlkörper werden derzeit bereits in den unterschiedlichsten Verfahren hergestellt. Unterschieden werden können die unterschiedlichen Anwendungen vor allem durch den Volumengehalt und die Länge der Fasern, die den Kunststoff verstärken.

Aus dem Bereich der unverstärkten Hohlkörper ist das Verfahren des Extrusionsblasformens am weitesten verbreitet. Hierbei wird die Kunststoffschmelze kontinuierlich zu einem Vorformling extrudiert und anschließend zyklisch mittels Blasluft in ein mehrteiliges Werkzeug geblasen. Dabei können thermoplastische Bauteile mit guter Oberflächenqualität und hoher Maßhaltigkeit der äußeren Oberfläche erzeugt werden. Die Wanddicke stellt sich vornehmlich durch das Verstrecken des Vorformlings ein, kann jedoch durch eine geeignete Steuerung des Extruders und Gestaltung der Extrusionsdüse beeinflußt werden. Eine lokale Wanddickenerhöhung zur Krafteinleitung o. ä. ist derzeit jedoch noch nicht möglich.

Hohlkörper mit Kurz- und Langfaserverstärkung und ebenfalls guter äußerer Oberfläche können durch das Schleuderverfahren hergestellt werden. Dieses, insbesondere im Anlagenbau etablierte Verfahren ist sowohl mit duroplastischen als auch mit thermoplastischen Kunststoffen möglich und führt ebenfalls zu Hohlkörpern mit guter Außenoberfläche. Eine gezielte Faserorientierung zur lastorientierten Verstärkung des Hohlkörpers ist aufgrund der Verfahrensführung und der Faserlänge jedoch nicht möglich.

Um Hohlkörper gezielt lastgerecht verstärken zu können, sind Verfahren nötig, die eine Endlosfaserverstärkung der Bauteile ermöglichen. Das am weitesten Verbreitung gefundene Verfahren ist hier das Wickelverfahren mit Rovings, Bändern oder Gelegen. Hierbei werden getränkte Fasern abgezogen und auf einem rotierenden Kern abgelegt.

Vorteil dieses Verfahrens ist die Automatisierbarkeit und die gezielte Faserablage. Bei komplexeren Strukturen erweist sich jedoch die Entformung des Kerns als sehr aufwendig. Während in diesem Verfahren sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe verarbeitet werden können, erweist sich die Ablage auf einem Kern als nachteilig für die Oberflächenqualität. Die Wanddicke des Bauteils kann im voraus nicht genau bestimmt werden, wodurch meist eine Nachbearbeitung der Oberfläche notwendig wird.

Eine gezielte Faserorientierung bei gleichzeitig guter Oberflächenqualität der Außenfläche wird durch das Schlauchblasen mit thermoplastischen oder duroplastischen Prepregs möglich. Hierbei wird ein Blasschlauch mit vorimprägnierten Halbzeugen belegt und in die Kavität des Werkzeugs eingelegt. Die Werkzeuge werden vorgeheizt, damit sich die Viskosität des Matrixwerkstoffes schnell reduziert.

Anschließend wird der Blasschlauch mit Innendruck belastet, wodurch die Prepregs an die Innenfläche des Werkzeugs gedrückt werden. Duroplastische Halbzeuge härten nach dem Aufheizen und dem Start der Vernetzungsreaktion im Werkzeug aus, wogegen thermoplastische Matrixsysteme nach dem Aufschmelzen und Konsolidieren abkühlen müssen, um sich zu verfestigen. Dazu ist ein Abkühlen des Werkzeuges nötig. Dies führt zwar zu guten Oberflächenqualitäten, jedoch auch zu relativ langen Zykluszeiten.

Beim kombinierten Schlauchblas-RTM Verfahren werden trockene Verstärkungshalbzeuge um einen Blasschlauch gelegt und in ein mehrteiliges Werkzeug drapiert. Anschließend wird hier jedoch nur das trockene Verstärkungshalbzeug durch die Druckbeaufschlagung des Blasschlauchs an der Werkzeugkavität angelegt. Anschließend wird der Kunststoff mittels RTM-Verfahren injiziert und das Verstärkungsmaterial getränkt. Dadurch ist ebenfalls eine Herstellung von Hohlkörpern mit gerichteten, endlosen Fasern und guter Oberflächenqualität möglich. Aufgrund der hohen Viskosität thermoplastischer Kunststoffe ist dieses Verfahren derzeit jedoch auf die Verarbeitung duroplastischer Kunststoffe beschränkt.

Nachteile des Standes der Technik

Folgende Eigenschaften von Hohlkörpern sind für spezielle Anwendungen wünschenswert:

- Eine gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern
- eine gute Oberflächenqualität der Bauteile,
- Herstellung mit kurzer Zykluszeit,
- Matrixmaterial aus thermoplastischem Kunststoff und
- die Möglichkeit lokale Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche zu integrieren.

Keines der im Stand der Technik aufgelisteten Verfahren kann derzeit alle diese Eigenschaften gleichzeitig und in einem Schritt: realisieren.

Aufgabe der Erfindung

- Einfaches Handling der Preforms/Halbzeuge in flächigem Zustand
- Gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern
- Schnelle Erwärmung des Halbzeugs durch z. B. Kontakt
- Möglichkeit zur Konsolidierung des Halbzeugs (Druck, Temperatur, Vakuum, Zeit)
- Einfache Umformung zu einem Hohlkörper
- Möglichkeit lokaler Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche
- Schnelle Abkühlung thermoplastischer Bauteile
- Erreichen guter Oberflächen

Lösung der Aufgabe

Die Lösung der Aufgabe wird aus folgender Beschreibung des Verfahrens deutlich.

A) Ein endlosfaserverstärktes Halbzeug (Preform [1]) z. B. Gewebe aus Mischfilamenten, die sowohl die verstärkende Faser als auch die thermoplastische Matrix in Form von Filamenten vorliegen haben, wird mit einer Polymerblase [2] im Zentrum versehen, wobei die Polymerblase z. B. bis auf den Anschlußbereich vollständig umgeben wird. In dieser Form ist durch den flächigen Zustand einfaches Lagern und Transportieren möglich.

Dieser Aufbau wird von zwei dehnfähigen Polymerfolien (Diaphragmen [4]) eingerahmt, deren Schmelztemperatur bzw. Degradationstemperatur über derjenigen des zu verarbeitenden Kunststoffes liegt. Der Zwischenraum, der jeweils in einem Rahmen [3] abgedichteten Diaphragmen, kann evakuiert werden, wodurch sich eine flächige Struktur des Aufbaus ergibt.

B) Anschließend wird der Aufbau auf ein oder zwischen mehrere Heizsysteme (z. B. temperierte Stahlplatten oder IR-Strahler [6]) verfahren und dort in flächigem Zustand über die Schmelzetemperatur des thermoplastischen Halbzeugs aufgeheizt. Bei der Verwendung berührender Heizsysteme [6] kann in dieser Phase das Faserverbundhalbzeug [1] vollständig mit Kunststoffschmelze imprägniert und konsolidiert werden. Dies wird durch das angelegte Vakuum [5a] zwischen den Diaphragmen, das durch die Abdichtung [7] der Diaphragmenrahmen [3] möglich wird, unterstützt.
C) Nach dem Aufschmelzen wird der gesamte Aufbau in das ein oder mehrteilige Werkzeug [9, 10] transferiert, das unter die Schmelzetemperatur des Kunststoffes temperiert ist. Nach dem Verriegeln des Werkzeuges mit bekannten Mitteln, wird die Polymerblase mit Hilfe eines Druckmediums [8] (z. B. Druckluft) mit Druck beaufschlagt, wodurch sich die Polymerblase [2] entfaltet und den flachen Preform [1] zu einem dreidimensionalen Körper formt und an die Innenfläche - je nach Oberflächengestaltung - des Werkzeuges preßt. Dadurch zeichnet sich die Oberfläche des Werkzeuges auf dem Bauteil ab, was zu einer hohen Qualität der äußeren Hohlkörperoberfläche führen kann. Ein in das Werkzeug integriertes System [11] paßt je nach Ausführungsform den Spalt zwischen den Werkzeugen so an, daß zum einen ein Nachführen des Preforms [1] in die Kavität möglich ist, zum anderen jedoch zum Ende der Ausformung die Kavität so weit verschlossen ist, daß die gewünschte Geometrie des Hohlkörpers erzeugt werden kann. Das Vakuum [5b] kann in dieser Phase je nach Ausführungsform nicht mehr notwendig sein. Der Aufbau und damit auch das Bauteil kühlt durch den Kontakt mit dem Werkzeug rasch ab. Dies kann durch eine Spühlkühlung der Polymerblase noch weiter beschleunigt werden.

Vorteile der Erfindung

Durch das skizzierte Verfahren werden die Nachteile des Stands der Technik gelöst die Aufgaben der Erfindung erfüllt und die Anforderungen an moderne Hohlkörper befriedigt, was die Vorteile der Erfindung darstellt:

- Eine gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern,
- eine gute Oberflächenqualität der Bauteile,
- Herstellung mit kurzer Zykluszeit,
- Matrixmaterial aus thermoplastischem Kunststoff und
- die Möglichkeit lokale Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche zu integrieren.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für dieses Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern unterschiedlichster Geometrie und Wanddickenverteilung.

Einige Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in Bild 1 und Bild 2 dargestellt. 1) Beispiel: Aufheizung als flächiger Preform zwischen zwei dehnfähigen Polymerfolien, Konsolidierung während des Heizens durch den Kontakt mit Heizplatten und Ausformung zu einem kugelförmigen oderzylindrischen Hohlkörper. (Bild 1)
2) Beispiel: Aufheizung als mehrlagiger Verbund flächiger Halbzeuge durch den Kontakt mit temperierten Heizplatten und Ausformung zu einem großflächigen Hohlkörper mit umlaufendem Flansch [12] (Bild 2).

Bezugszeichenliste

1

Preform oder flächiges Halbzeug (je nach Ausführungsbeispiel)

2

Polymerblase

3

Diaphragmahalterung und Abdichtung

4

Diaphragma

5

a Evakuierung des Diaphragmazwischenraumes

5

b Evakuierung zur Unterstützung der Dichtwirkung

6

Heiz/Konsolidiersystem (beispielsweise elektrisch beheizte Stahlplatten)

7

Dichtung der Diaphragmarahmen

8

Hohlraum mit Druckbeaufschlagung durch das Druckmedium

9

Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte

10

Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte

11

Schieber oder ähnliches Dichtungssystem zur Begrenzung der Bauteilgeometrie

12

Umlaufender Flansch am Bauteil

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß der Preform oder mehrlagige, flächige Halbzeuge mit einer aufblasbaren Polymerblase versehen, in flächigem Zustand erwärmt und durch Beaufschlagung der Polymerblase mit Innendruck zu einem Hohlkörper ausgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug nach dem Aufschmelzen in ein Werkzeug transferiert wird, das auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzetemperatur des Thermoplasten temperiert ist, und der Preform durch das Aufblasen der Polymerblase in die Werkzeuginnenseite geformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug nach dem Aufschmelzen gegen den Umgebungsdruck und die Elastizität dehnfähiger, außenliegender Polymerfolien ausgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im verwendeten Temperaturbereich dehnfähig ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im erwärmten Zustand fließfähig ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase wiederverwendet werden kann.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im Hohlkörper verbleibt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während der Aufheizphase durch ein Vakuum konsolidiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während der Aufheizphase durch ein Vakuum und/oder einen Druck von außen konsolidiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium zur Kühlung eingesetzt wird.