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WO2015071155A1 - One-shot herstellung von composites - Google Patents

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Publication number
WO2015071155A1
WO2015071155A1 PCT/EP2014/073876 EP2014073876W WO2015071155A1 WO 2015071155 A1 WO2015071155 A1 WO 2015071155A1 EP 2014073876 W EP2014073876 W EP 2014073876W WO 2015071155 A1 WO2015071155 A1 WO 2015071155A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
resin
foam core
foam
press
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/073876
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Industries AG
Original Assignee
Evonik Industries AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Industries AG filed Critical Evonik Industries AG
Publication of WO2015071155A1 publication Critical patent/WO2015071155A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/86—Incorporated in coherent impregnated reinforcing layers, e.g. by winding
    • B29C70/865—Incorporated in coherent impregnated reinforcing layers, e.g. by winding completely encapsulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29B13/00—Conditioning or physical treatment of the material to be shaped
    • B29B13/02—Conditioning or physical treatment of the material to be shaped by heating
    • B29B13/023—Half-products, e.g. films, plates
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    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
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    • B29D99/001—Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings
    • B29D99/0021—Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings provided with plain or filled structures, e.g. cores, placed between two or more plates or sheets, e.g. in a matrix
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    • B29C35/08—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • B29C2035/0822—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using IR radiation
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    • B29C70/02—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising combinations of reinforcements, e.g. non-specified reinforcements, fibrous reinforcing inserts and fillers, e.g. particulate fillers, incorporated in matrix material, forming one or more layers and with or without non-reinforced or non-filled layers
    • B29C70/026—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising combinations of reinforcements, e.g. non-specified reinforcements, fibrous reinforcing inserts and fillers, e.g. particulate fillers, incorporated in matrix material, forming one or more layers and with or without non-reinforced or non-filled layers and with one or more layers of pure plastics material, e.g. foam layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/18—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length in the form of a mat, e.g. sheet moulding compound [SMC]

Definitions

  • the method is characterized in that the
  • Foamed material is first heated in a device by means of near infrared radiation, transferred to a press with heatable clamshell tools and is connected there with two prepregs.
  • rigid foams are understood as meaning foams which can not be mechanically deformed with low forces, such as commercially available PU or polystyrene foams, and then reset again.
  • rigid foams are, in particular, PP, PMMA or highly crosslinked PU foams.
  • a particularly strong resilient hard foam material is poly (meth) acrylimide (PMI), as sold Zürn example from Evonik under the name ROHACELL ®.
  • Composite materials is the shaping of the cover layers with subsequent filling of the foam raw material and its final foaming.
  • a method is described for example in US 4,933,131.
  • a disadvantage of this method is that the foaming is usually very uneven. This is especially true for materials such as PMI, which can be added as granules at best.
  • Another disadvantage of such a method is that for
  • WO 02/098637 describes a process in which a thermoplastic cover material is melt-applied to the surface of a foam core material, then molded together with the foam core into a composite molding by means of a twin-sheet process, and then the thermoplastic is cooled in such a way. that the cover material solidifies in the mold.
  • a limited number of materials can be combined with this process. For example, fiber-reinforced cover materials can not be produced.
  • the method for the mere shaping of a foam workpiece is without
  • Foam materials limited to elastically deformable materials at low temperatures. A hard foam would be without such a procedure
  • Foam core blank first cut into shape and placed in a tool.
  • the melt of the thermoplastic material is injected onto the surface.
  • the foamed core blank is foamed thereon, which results in pressing on the surface of the covering material.
  • Foam material takes place.
  • the preheating takes place in an oven.
  • temperatures are required for thermoelastic deformation for many foam materials.
  • temperatures of at least 185 ° C are required for PMI foams.
  • the core material must be heated over the entire material area accordingly, in order to avoid material fractures.
  • many covering materials such as e.g. PP, so damaged that the process is not feasible.
  • PA 12 can be easily heated to over 200 ° C without damaging the plastic.
  • a simultaneous Shaping the foam core is not possible in this procedure, since the heat radiation of the IR radiation range does not penetrate into the foam matrix and thus no thermoplastic moldable state is achieved.
  • the choice of the surface material is relatively freely selectable, without this being damaged during processing.
  • Embodiments with the novel method fast cycle times of significantly less than 10 min to be feasible.
  • poly (meth) acrylimide means polymethacrylimides, polyacrylimides or mixtures thereof.
  • monomers such as (meth) acrylimide or (meth) acrylic acid.
  • acrylic acid is understood to mean both methacrylic acid and acrylic acid and mixtures of these two.
  • the objects are achieved by a novel process for the production of composite materials with a foam core of a hard foam, in particular with a foam core of P (MI), preferably with a foam core of PMI.
  • a foam core of P MI
  • PMI preferably with a foam core of PMI.
  • I can also rigid foams made of polypropylene (PP) or highly crosslinked polyurethane (PU) to foam cores in
  • PP foams are known above all as insulation material, in transport containers and as sandwich material. PP foams can contain fillers and are usually commercially available in a density range between 20 and 200 kg / m 3 . PU rigid foams in turn are distinguished from PU flexible foams by a more closed pore structure and a higher degree of crosslinking. PU rigid foams may additionally contain larger amounts of inorganic fillers.
  • the inventive method for producing composite materials with two outer layers and a foam core lying between them is characterized in particular by the following process steps: a) heating the foam core in a heating station with near infrared radiation (NIR radiation), b) transferring the heated foam core into a press by means of a transport device with a travel frame, c) closing the press, wherein the press has a two-shell mold and both tool shells are each covered with a fiber matrix or prepreg cover layer composed of a fiber material and a resin, d) heating the tool shells to the curing temperature of the
  • NIR radiation near infrared radiation
  • the foam cores are inserted into the machine-side effective range of the heating fields of the heating station.
  • NIR radiation with a wavelength between 0.78 and 1.40 ⁇ m is suitable. It proves to be particularly favorable if the foam core is already clamped in the transport device during the heating process.
  • the radiation intensity and duration are dependent on various factors and can be optimized for the skilled person with a few experiments.
  • these heating parameters are dependent on the softening temperature of the foam material used, the pore size or material density, the material thickness and the distance of the radiation sources to the foam core.
  • the radiation intensity usually has to be increased with stronger materials, a higher material density, a larger material thickness and a greater distance to the radiation sources.
  • the radiation intensity can be varied depending on the degree of transformation to be achieved.
  • the radiation intensity is usually adjusted so that in the middle of the foam core, a temperature between 170 and 250 ° C is achieved.
  • the heating station has a plurality of NIR light sources, so that the
  • Heat input can be brought about without at the same time causing damage to the material.
  • the e.g. Damage to the hard foam surface observed upon heating in an oven is maintained
  • Foam cells without absorption and causes a direct heating of the cell wall matrix are surprisingly, it was found that a particularly uniform heat distribution can be achieved in thicker foam cores by such heating with NIR radiation.
  • this transport device is provided with a linear motor drive.
  • the foam core is already entering the heating station in one with the
  • step c) followed by the closing of the press, wherein the press has a two-shell tool and both tool shells each with a
  • Prepreg or fiber matrix cover layer composed of a fibrous material and a resin are occupied.
  • the two-shell tool has a shape that acts predeterminably on the composite component during the pressing.
  • the material of the cover layers is prepregs.
  • Prepregs consist at least of a resin and a fiber material, wherein the fiber material again consist of long fibers, which are usually in the form of a fabric, knitted fabric, scrim or as an unidirectional (non-directional) layer. With such materials, particularly good mechanical strengths can be achieved.
  • prepregs are characterized by the fact that, although they are in a storable and processable form, they have not yet hardened. Only after the molding, or in the case of the present invention after the
  • the prepregs - usually by heat - hardened.
  • sheet-molding compounds can also be used as the material of the cover layer.
  • SMCs are characterized by the fact that they consist of at least one resin, short fibers and mineral fillers. The short fibers are distributed freely in the resin.
  • the resin used may be, in particular, vinyl ester resins, epoxy resins, isocyanate resins or acrylate resins. Prepregs are usually based on epoxy resins, while SMC contain predominantly vinyl ester resins.
  • the fibers may in particular be coal, glass, polymer or
  • Aramid fibers act. Most SMC uses short glass fibers.
  • adhesion promoters can be used to improve adhesion between the foam core material and cover layers. These adhesion promoters can be contained in the matrix material of the cover layers. Alternatively, the adhesion promoters also be applied to the surface of the outer layers or the foam core before merging. Alternatively, suitable adhesives may be used in this procedure. In particular, polyamides or poly (meth) acrylates have proven to be suitable as adhesion promoters. However, it is also possible to use low molecular weight compounds which are known to the person skilled in the art from the preparation of composite materials, in particular as a function of the matrix material used for the covering layer.
  • the cover sheet forming prepreg or SMC material is positioned in a tenter between the tool halves.
  • the material is fixed in the device by means of a hold-down frame to prevent slippage.
  • the material to be processed is e.g. a few inches above the edge of the tool and is in this area by means of the mentioned
  • step d) takes place as after closing the press and thereby taking place shaping a heating of the tool shells on the
  • Tool shells and the cover material can be done very fast curing of the resin.
  • the temperature used to cure the resin will depend on the particular resin used and will be readily apparent to those skilled in the art. As a rule, such temperatures are between 100 and 300 ° C. This is
  • Demolding temperature instead. This can be done, for example, in that the tool shells in the interior or on the side facing away from the workpiece with tubes for a cooling liquid, e.g. are equipped for water.
  • a cooling liquid e.g. are equipped for water.
  • Demolding temperature is material-dependent and easy to determine for the expert. It depends on the one hand on the plasticity of the foam core and primarily on the surface properties of the cover material. This should be at the Deformation be firm and have the least possible stickiness to the surface of the tool shells.
  • demolding temperature may already be below 80 ° C.
  • this temperature can be additionally increased to improve the cycle times.
  • demolding aids for example
  • Silicone oils or aliphatic oils come to the rescue.
  • process step f the opening of the press, the retraction of the travel frame and the removal of the product take place.
  • the inventive method has the particular advantage that it can be carried out with very low cycle times and thus can be used very well in a series production.
  • the process is preferably carried out with a cycle time of at most 10 minutes, preferably less than 6 minutes.
  • inventive method can also by means of a twin-sheet method under vacuum or under reduced pressure
  • the twin-sheet device is designed such that it can be used as a press molding machine.
  • the twin-sheet process is basically characterized by the fact that two or more workpieces in a single step in the vacuum or under reduced pressure deformed and thereby without additives such as adhesives, welding aids or
  • Solvents are welded together. This process step is to be carried out in short cycle times, economically and environmentally friendly. As part of the The present invention has surprisingly been found that this method by the additional process step of preheating the workpieces by irradiation with NIR radiation having a wavelength between 0.78 and 1, 40 ⁇ in
  • Hard foam materials that seemed to be unsuitable according to the prior art, can be used. Due to the relatively fast feasible heating with said radiation a stress-free, uniform heat distribution throughout the workpiece is achieved. The intensity of the radiation can be varied depending on the used foam material in said range. With additional use of cover materials, the temperature of the heating fields and their intensity are modified so that even with different
  • Foam core and cover materials are molded and bonded together. Such adjustments are easily feasible for the skilled person with a few attempts.
  • cover material is relatively free.
  • cover material may be, for example, pure thermoplastics, woven or knitted fabrics or composites thereof, e.g. so-called organo sheets or plastic-coated textile carrier webs such as e.g. Imitation leather act.
  • the cover material is preferably a fiber-reinforced plastic.
  • the fibers may in turn be, for example, aramid, glass, carbon, polymer or textile fibers.
  • the plastic in turn, may preferably be PP, polyethylene
  • PE polycarbonate
  • PC polyvinyl chloride
  • epoxy resin an isocyanate resin
  • acrylate resin a polyester or a polyamide.
  • a preferred material for the foam core is P (M) I, in particular PMI.
  • P (M) I foams are also referred to as rigid foams and are characterized by a particular strength.
  • the P (M) I foams become normally produced in a two-stage process: a) production of a cast polymer and b) foaming of this cast polymer.
  • monomer mixtures which contain (meth) acrylic acid and (meth) acrylonitrile, preferably in a molar ratio of between 2: 3 and 3: 2, as main constituents, are first prepared.
  • other comonomers may be used, such as e.g. Esters of acrylic or methacrylic acid, styrene, maleic acid or itaconic acid or their anhydrides or vinylpyrrolidone.
  • the proportion of the comonomers should not be more than 30% by weight.
  • Small amounts of crosslinking monomers, e.g. Allyl acrylate, can also be used. However, the amounts should preferably be at most 0.05% by weight to 2.0% by weight.
  • the mixture for the copolymerization further contains blowing agents which are in
  • Temperatures of about 150 to 250 ° C either decompose or evaporate and thereby form a gas phase.
  • the polymerization takes place below this temperature, so that the cast polymer contains a latent blowing agent.
  • the polymerization suitably takes place in block form between two glass plates.
  • the temperature then takes place at a corresponding temperature
  • PMI foams Foaming the cast polymer.
  • the preparation of such PMI foams is basically known to the person skilled in the art and can be read, for example, in EP 1 444 293, EP 1 678 244 or WO 201 1/138060.
  • PMI foams in particular ROHACELL ® types of the company Evonik Industries AG may be mentioned.
  • acrylimide foams are to be regarded as analogues for the PMI foams. For toxicological reasons, however, these are much less preferred than other foam materials.
  • the required foam parts can be produced by a suitable choice of the glass plates or by a production by means of an in-mold-foaming. Alternatively, the production of foamed foam plates by cutting, sawing or milling. In this case, preferably several foam parts can be cut from a plate.
  • the density of the rigid foam material is relatively freely selectable.
  • PMI foams can be used in a density range of 25 to 220 kg / m 3 .
  • Foam core surface This has the advantage that after curing a particularly strong adhesion at the interface between the foam core and
  • Composite materials comprise a hard foam core of foamed PP, P (M) I or highly crosslinked PU and two outer layers of at least one cured resin and a fiber material.
  • these composite materials differ in that the cover layers consist of a cured prepreg or SMC material and have no connecting elements such as seams, bolts or other force introduction elements.
  • the composite materials according to the invention may differ in that they need not have an adhesive layer between foam core and cover materials.
  • the workpieces of the invention are made of a rigid foam as a core material very widely used.
  • Composite materials prepared according to the invention can in particular
  • Fig. 1 Schematic representation of the production of composite components according to the invention
  • A heating-up phase
  • B shaping (1) IR heaters
  • the process is carried out on a twin-sheet forming machine such as model T8 from Geiss AG.
  • the machine was equipped in the following configuration:
  • PMI foam of the type ROHACELL ® IG in the density of 71 Kg / m 3 and the thickness of 12.7 mm.
  • the process parameters to be selected depend on the design of the system used in each case. They must be determined by preliminary tests.
  • the guide temperature T F depends on the T g (S) of the PMI foam matrix, after the forming temperature of the cover layers, after the
  • the radiator field intensity (I) can be varied. Near the edge of the hold-down, the radiator field intensity I near 100% is chosen to be a
  • Circulation of the cover layers It is possible, e.g. drapeable fabric / scrim or made of different fiber types or fiber blends composite materials are used, which are equipped with thermo-plastic phases. This can optionally be done using a melt adhesive film or web as
  • Bonding agents take place.
  • an 800 ⁇ m thick layer of organo-sheet from Bond Laminates (Tepex® Dynalite 102-RG600) was used at the top and bottom.
  • polycarbonate film Lexan in the thickness 1500 ⁇ was used on both sides.
  • the reshaped foam core is heated in the heating station by means of IR radiation to an internal temperature of 220 ° C and then moved into the press tool. On the two inner surfaces of the pressing tool said cover sheet blanks are placed. Subsequently, the pressing tool is closed and heated to a temperature of 180 ° C. After about 3 to 4 minutes, the tool is cooled to below 80 ° C and the component is removed. After a reheating of the tool, the production of the next composite component can begin.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem Poly(meth)acrylimid-(P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid-(PMI) Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Schaumwerkstoff zunächst in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird, in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt wird und dort mit zwei Prepregs verbunden wird.

Description

One-shot Herstellung von Composites
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Composites mit einem
Poly(meth)acrylimid- (P(M)I-), insbesondere einem Polymethacrylimid- (PMI)Schaumkern. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der
Schaumwerkstoff zunächst in einer Vorrichtung mittels naher IR-Strahlung aufgeheizt wird, in eine Presse mit beheizbaren zweischaligen Werkzeugen überführt wird und dort mit zwei Prepregs verbunden wird.
Stand der Technik Im Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen mit einem Hartschaumstoff oder zur Formgebung von harten
Schaumwerkstoffen im Allgemeinen beschrieben. Unter Hartschaumstoffen werden im Zusammenhang dieser Erfindung Schaumstoffe verstanden, die sich nicht - wie zum Beispiel handelsübliche PU- oder Polystyrolschaumstoffe - mit geringen Kräften mechanisch verformen lassen und sich anschließend wieder zurückstellen. Beispiel für Hartschaumstoffe sind vor allem PP-, PMMA- oder hochvernetzte PU-Schäume. Ein besonders stark belastbarer harter Schaumwerkstoff ist Poly(meth)acrylimid (PMI), wie er zürn Beispiel von der Firma Evonik unter dem Namen ROHACELL® vertrieben wird.
Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung beschriebener
Compositematerialien ist die Formgebung der Deckschichten mit anschließender Füllung des Schaumrohmaterials und dessen abschließender Schäumung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in US 4,933,131 beschrieben. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Schäumung zumeist sehr ungleichmäßig erfolgt. Dies gilt insbesondere für Materialien wie PMI, die bestenfalls als Granulat zugegeben werden können. Ein weiterer Nachteil eines solchen Verfahrens ist, dass zur
Formgebung eines reinen Schaumwerkstoffs, die Deckschichten wieder entfernt werden müssten. Im Falle von Compositebauteilen wiederum ist die Haftung zwischen Deckschichten und dem Schaumkern oft nicht ausreichend für mechanisch belastete Bauteile.
In Passaro et al., Polymer Composites, 25(3), 2004, S.307ff ist ein Verfahren beschrieben bei dem ein PP-Schaumkernstoff mit einem faserverstärkten Kunststoff in einem Presswerkzeug zusammengefügt wird und dabei der Schaumkernstoff mittels des Werkzeugs gezielt nur an der Oberfläche erhitzt wird, um eine gute Bindung zum Deckmaterial zu ermöglichen. In Grefenstein et al., International SAMPE Symposium and Exhibition, 35 (1 , Adv. Materials: Challenge Next Decade), 1990, S.234-44 ist ein analoges Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Materialien mit einem Wabenkernmaterial oder einem PMI-Schaumkern beschrieben. Eine Formgebung ist mit diesen beiden Verfahren jedoch nicht möglich, sondern nur die Herstellung von Sandwichmaterialien in Plattenform.
In WO 02/098637 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein thermoplastisches Deckmaterial als Schmelze auf die Oberfläche eines Schaumkernmaterials gebracht wird, dann zusammen mit dem Schaumkern zu einem Compositeformteil mittels einem Twin-Sheet-Verfahren geformt wird und anschließend der Thermoplast derart abgekühlt wird, dass das Deckmaterial in der Form erstarrt. Mit diesem Verfahren lässt sich jedoch nur eine begrenzte Zahl von Materialien kombinieren. So können zum Beispiel keine Faserverstärkten Deckmaterialien hergestellt werden. Auch ist das Verfahren zur reinen Formgebung eines Schaumwerkstücks ohne
Deckmaterialien nicht anwendbar. Weiterhin ist auch die Auswahl der
Schaumwerkstoffe auf bei niedrigen Temperaturen elastisch verformbare Materialien beschränkt. Ein Hartschaum würde bei einem solchen Verfahren ohne
gleichmäßiges Aufheizen des Schaumaterials strukturell zu sehr beschädigt.
Sehr ähnlich ist das in EP 0 272 359 beschriebene Verfahren. Hier wird in
Schaumkernrohling erst in Form geschnitten und in ein Werkzeug gelegt.
Anschließend wird die Schmelze des thermoplastischen Materials auf die Oberfläche injiziert. Durch eine Temperaturerhöhung wird darauf der Schaumkernrohling aufgeschäumt, wodurch es zu einem Pressen auf die Oberfläche des Deckmaterials kommt. Zwar kann mit diesem Verfahren eine bessere Haftung zu dem Deckmaterial erreicht werden. Dafür ist das Verfahren mit dem zusätzlichen Arbeitsschritt der ersten Formgebung aufwendiger und insgesamt bezüglich der realisierbaren Formen deutlich stärker beschränkt.
In W. Pip, Kunststoffe, 78(3), 1988, S.201 -5 ist ein Verfahren zur Herstellung von geformten Compositen mit faserverstärkten Deckschichten und einem PMI- Schaumkern in einem Presswerkzeug beschrieben. Bei diesem Verfahren erfolgt das Zusammenführen der einzelnen Schichten in einem beheizten Presswerkzeug, wobei eine leichte Formgebung durch ein Zusammendrücken der obersten Schichten im lokal erhitzten Schaumwerkstoff erfolgt. Gleichzeitig ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch ein Nachschäumen innerhalb des Werkzeugs eine Form gebildet werden kann. Die Nachteile eines solchen Verfahrens wurden bereits zuvor diskutiert. Als dritte Variante ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine elastische Stauchung des Materials während des Pressens eines vorgeheizten
Schaummaterials erfolgt. Das Vorheizen erfolgt in einem Ofen. Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass für viele Schaumwerkstoffe sehr hohe Temperaturen zur thermoelastischen Verformung benötigt werden. So werden zum Beispiel für PMI- Schäume Temperaturen von mindestens 185 °C benötigt. Weiterhin muss der Kernwerkstoff über den gesamten Materialbereich entsprechend aufgeheizt sein, um Materialbrüche zu vermeiden. Bei solchen Temperaturen, zumal diese in der gleichmäßigen Verteilung nur mit einem längeren Aufheizen von mehreren Minuten möglich sind, würden jedoch viele Deckmaterialien, wie z.B. PP, derart beschädigt, dass der Prozess nicht durchführbar ist.
In U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), S. 275-9 ist ein leicht modifiziertes Verfahren der zuvor diskutierten dritten Variante aus Pip für PMI-Schaumkerne offenbart. Hier erfolgt das Aufheizen des PMI-Schaumkerns und der faserverstärkten Deckmaterialien mittels einer IR-Wärmelampe. Solche IR-Wärmestrahler, die vor allem Licht mit Wellenlängen im Bereich zwischen 3 und 50 μιτι (IR-C-, bzw. MIR- Strahlung) abstrahlen, sind besonders gut geeignet für ein schnelles Aufheizen des Substrats. Jedoch ist dabei der Energieeintrag - gewünscht - sehr hoch, was gleichzeitig zur Schädigung vieler Deckmaterialien, wie zum Peispiel PP, führt. So ist in Breuer et al. auch nur Polyamid 12 (PA12) als mögliches Matrixmaterial für die
Deckschichten offenbart. PA 12 kann leicht auf über 200 °C erhitzt werden, ohne dass es zu einer Schädigung des Kunststoffes kommt. Eine gleichzeitige Formgebung des Schaumkerns ist in dieser Verfahrensweise nicht möglich, da die Wärmestrahlung des IR-Strahlungsbereiches nicht in die Schaummatrix eindringt und somit kein thermoplastisch formbarer Zustand erreicht wird.
Aufgabe
Vor dem Hintergrund des diskutierten Standes der Technik war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem einfach und mit hoher Durchsatzgeschwindigkeit Compositematerialien mit einem P(M)I-Schaumkern ohne strukturelle Schädigung des Schaumkerns hergestellt werden können.
Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Verfügung zu stellen, bei dem diese Compositematerialien formgebend hergestellt werden und gleichzeitig die Wahl des Oberflächenmaterials relativ frei wählbar ist, ohne dass dieses während der Verarbeitung eine Schädigung erfährt.
Weiterhin sollen unabhängig von den einzelnen als Aufgaben gestellten
Ausführungsformen mit dem neuartigen Verfahren schnelle Taktzeiten von deutlich unter 10 min realisierbar sein.
Weitere, an dieser Stelle nicht explizit diskutierte Aufgaben, können sich im Weiteren aus dem Stand der Technik, der Beschreibung, den Ansprüchen oder
Ausführungsbeispielen ergeben. Lösung
Inn Weiteren werden unter der Formulierung Poly(meth)acrylimid Polymethacrylimide, Polyacrylimide oder Mischungen daraus verstanden. Entsprechendes gilt für die entsprechenden Monomere wie (Meth)acrylimid bzw. (Meth)acrylsäure. So werden beispielsweise unter dem Begriff (Meth)acrylsäure sowohl Methacrylsäure als auch Acrylsäure sowie Mischungen aus diesen beiden verstanden.
Gelöst werden die Aufgaben durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Compositematerialien mit einem Schaumkern aus einem Hartschaum, insbesondere mit einem Schaumkern aus P(MI), bevorzugt mit einem Schaumkern aus PMI.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem es sich bei dem Schaumwerkstoff des
Schaumkerns um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3.
Neben P(M)I können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Hartschäume aus Polypropylen (PP) oder aus hochvernetztem Polyurethan (PU) zu Schaumkernen in
Composite-Materialien verarbeitet werden.
PP-Schäume sind vor allem als Isolationsmaterial, in Transportbehältern und als Sandwichmaterial bekannt. PP-Schäume können Füllstoffe enthalten und sind zumeist in einem Dichtebereich zwischen 20 bis 200 kg/m3 kommerziell verfügbar. PU-Hartschäume wiederum zeichnen sich gegenüber PU-Weichschäumen durch eine geschlossenere Porenstruktur und einen höheren Vernetzungsgrad aus. PU- Hartschäume können zusätzlich größere Mengen anorganischer Füllmaterialien enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern zeichnet sich insbesondere durch folgende Prozessschritte aus: a) Aufheizen des Schaumkern in einer Heizstation mit naher Infrarot- Strahlung (NIR-Strahlung), b) Uberführen des aufgeheizten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen, c) Schließen der Presse, wobei die Presse ein zweischaliges Werkzeug aufweist und beide Werkzeugschalen jeweils mit einer Faser-Matrixoder Prepregdecklage, zusammengesetzt aus einem Fasermaterial und einem Harz, belegt sind, d) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des
Harzes, e) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und f) Öffnen der Presse, Herausfahren des Verfahrrahmens und Entnahme des Composite-Materials.
In Prozessschritt a) erfolgt das Einlegen der Schaumkerne in den maschinenseitigen Wirkbereich der Heizfelder der Heizstation. Bezüglich Prozessschritts a) ist insbesondere eine NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι geeignet, Als besonders günstig erweist es sich dabei, wenn der Schaumkern bereits während des Aufheizens in der Transporteinrichtung eingespannt ist.
Die Strahlungsintensität und -dauer sind dabei von verschiedenen Faktoren abhängig und für den Fachmann mit wenigen Versuchen optimierbar. So sind diese Heizparamter von der Erweichungstemperatur des verwendeten Schaumwerkstoffs, der Porengröße bzw. Werkstoffdichte, der Werkstoffdicke und der Distanz der Strahlungsquellen zum Schaumkern abhängig. Die Strahlungsintensität muss in der Regel bei festeren Materialien, einer höheren Werkstoffdichte, einer größeren Werkstoffdicke und einem größeren Abstand zu den Strahlungsquellen erhöht werden. Weiterhin kann die Strahlungsintensität in Abhängigkeit des zu erzielenden Umformungsgrads variiert werden. Die Strahlungsintensität wird dazu in der Regel so eingestellt, dass in der Mitte des Schaumkerns eine Temperatur zwischen 170 und 250 °C erzielt wird. Bevorzugt weist die Heizstation mehrere NIR-Lichtquellen auf, so dass die
Oberfläche des Schaumkerns gleichmäßig aufgeheizt wird. Auf diese Weise wird der Schaumkern bis zur Plastifizierungstemperatur des Schaumwerkstoffs erhitzt.
Überraschend wurde gefunden, dass durch das schonende Erhitzen des Materials in Prozessschritt a) eine plastische Verformbarkeit durch einen gleichmäßigen
Wärmeeintrag herbeigeführt werden kann, ohne dass es gleichzeitig zu einer Schädigung des Materials kommt. Insbesondere die z.B. beim Erhitzen in einem Ofen zu beobachtende Schädigung der Hartschaumoberfläche bleibt bei
sachgerechter Durchführung des vorliegenden Verfahrens aus. Die Wärmestrahlung des verwendeten NIR-Spektralbereiches durchdringt die Gasphase der
Schaumzellen absorptionsfrei und bewirkt ein direktes Erhitzen der Zellwandmatrix. Besonders überraschend wurde dabei gefunden, dass durch ein solches Aufheizen mit NIR-Strahlung eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung auch in dickeren Schaumkernen erzielt werden kann. Die Überführung des aufgeheizten Schaumkerns in eine Presse in Prozessschritt b) erfolgt mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen. In der Regel ist diese Transporteinrichtung mit einem linearmotorischen Antrieb versehen. Bevorzugt ist der Schaumkern bereits dem Einfahren in die Heizstation in einem mit dem
Verfahrrahmen verbundenen Spannrahmen eingespannt. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Schaumkern während dieses Transports in Gänze oberhalb der Plastifizierungstemperatur bleibt. Dies kann durch einen kurzen Weg zwischen der Heizstation und der Presse oder bzw. zusätzlich durch eine entsprechend hohe Umgebungstemperatur auf dieser Strecke, z.B. innerhalb einer Einhausung oder durch zusätzlich NIR-Strahlungsquellen, bewirkt werden. Bevor in Prozessschritt c) die Presse geschlossen wird, ist es optional möglich, ein
Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft durchzuführen. Dies kann besonders bei Composite-Bauteilen mit einer starken Krümmung zu noch besseren Ergebnissen führen.
In Prozessschritt c) erfolgt darauf das Schließen der Presse, wobei die Presse ein zweischaliges Werkzeug aufweist und beide Werkzeugschalen jeweils mit einer
Prepreg- oder Faser-Matrix-Decklage, zusammengesetzt aus einem Fasermaterial und einem Harz, belegt sind. Dabei weist das zweischalige Werkzeug eine Form auf, die während des Pressens vorgebend auf das Composite-Bauteil wirkt.
In einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Material der Deckschichten um Prepregs. Prepregs bestehen mindestens aus einem Harz und einem Fasermaterial, wobei das Fasermaterial wiederum aus langen Fasern bestehen, die in der Regel in Form eines Gewebes, Gestrickes, Gelege oder als undirektionale (nicht direktionale) Schicht vorliegen. Mit solchen Materialien sind besonders gute mechanische Festigkeiten zu erreichen.
Weiterhin zeichnen sich Prepregs dadurch aus, dass sie zwar in einer lagerfähigen und verarbeitbaren Form vorliegen, dabei jedoch noch nicht ausgehärtet sind. Erst nach der Formgebung, bzw. im Fall der vorliegenden Erfindung nach der
Formgebung und der gleichzeitigen Verbindung mit dem Schaumkern, werden die Prepregs - in der Regel durch Wärmezufuhr - ausgehärtet.
In einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung können alternativ zu den Prepregs auch Sheet-Molding-Compounds (SMC) als Material der Deckschicht eingesetzt werden. Diese SMC zeichnen sich dadurch aus, dass sie mindestens aus einem Harz, aus kurzen Fasern und aus mineralischen Füllstoffen bestehen. Die kurzen Fasern liegen dabei frei verteilt in dem Harz vor. Solche SMC sind gegenüber Prepregs variabler zu verformen und einfacher herzustellen. Unabhängig davon, ob Prepregs oder SMC verwendet werden, können als Harz insbesondere Vinylesterharze, Epoxidharze, Isocyanatharze oder Acrylatharze verwendet werden. Prepregs basieren dabei in der Regel auf Epoxydharzen, während SMC überwiegend Vinylesterharze enthalten.
Bei den Fasern kann es sich insbesondere um Kohle-, Glas-, Polymer- oder
Aramidfasern handeln. Dabei werden in SMC überwiegend kurze Glasfasern eingesetzt.
Zusätzlich können zur Verbesserung der Haftung zwischen Schaumkernmaterial und Deckschichten Haftvermittler verwendet werden. Diese Haftvermittler können im Matrixmaterial der Deckschichten enthalten sein. Alternativ können die Haftvermittler auch vor dem Zusammenführen auf der Oberfläche der Deckschichten oder des Schaumkerns aufgetragen werden. Bei diesem Vorgehen können alternativ auch geeignete Klebstoffe eingesetzt werden. Als Haftvermittler haben sich insbesondere Polyamide oder Poly(meth)acrylate als geeignet erwiesen. Es können aber auch niedermolekulare Verbindungen, die aus der Herstellung von Compositematerialien, insbesondere in Abhängigkeit vom verwendeten Matrixmaterial der Deckschicht, dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
Bevorzugt wird das die Decklagen bildende Prepreg oder SMC-Material in einem Spannrahmen zwischen den Werkzeughälften positioniert. Alternativ wird das Material in dem Gerät mittels eines Niederhalterrahmens fixiert, um ein Verrutschen zu vermeiden. Dazu steht das zu verarbeitende Material z.B. einige Zentimeter über den Werkzeugrand heraus und wird in diesem Bereich mittels des erwähnten
Niederhalterrahmens heruntergedrückt.
In Prozessschritt d) erfolgt als nach dem Schließen der Presse und der dabei erfolgenden Formgebung ein Aufheizen der Werkzeugschalen auf die
Härtungstemperatur des Harzes. Durch den direkten Kontakt zwischen den
Werkzeugschalen und dem Deckmaterial kann dabei eine sehr schnelle Aushärtung des Harzes erfolgen. Die zur Härtung des Harzes verwendete Temperatur hängt von dem jeweilig verwendeten Harz ab und ist für den Fachmann leicht ermittelbar. In der Regel liegen solche Temperaturen zwischen 100 und 300 °C. Damit sind
insbesondere auch die für die Schäumung des Schaumkerns bevorzugten
Temperaturen zwischen 170 und 250 °C für die meisten Harzsysteme geeignet. Für den weniger bevorzugten Fall einer benötigten höheren Temperatur, kann die Härtung des Harzes in einer weiteren Heizstation erfolgen. In Prozessschritt e) findet darauf ein Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine
Entformungstemperatur statt. Dies kann Beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Werkzeugschalen im Inneren oder auf der dem Werkstück abgewandten Seite mit Rohren für eine Kühlflüssigkeit, z.B. für Wasser ausgestattet sind. Die
Entformungstemperatur ist dabei materialabhängig und für den Fachmann leicht zu ermitteln. Sie hängt zum einen von der Plastizität des Schaumkerns und primär von den Oberflächeneigenschaften des Deckmaterials ab. Dieses sollte bei der Entformungstemperatur fest sein und eine möglichst geringe Klebrigkeit gegenüber der Oberfläche der Werkzeugsschalen aufweisen. Eine geeignete
Entformungstemperatur kann beispielsweise schon unterhalb von 80 °C liegen.
Durch ein Auftragen von einem Entformungshilfsmittel zwischen Deckschichten und Werkzeugschalen kann diese Temperatur zur Verbesserung der Taktzeiten zusätzlich erhöht werden. Als Entformungshilfsmittel können beispielsweise
Silikonöle oder aliphatische Öle zum Einssatz kommen.
In Prozessschritt f) erfolgen schließlich das Öffnen der Presse, das Herausfahren des Verfahrrahmens und die Entnahme des Produkts. Alternativ kann auch erst das Composite-Material entnommen werden und dann der Verfahrahmen zurückgefahren werden, um neu belegt zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den großen Vorteil, dass es mit sehr geringen Taktzeiten durchgeführt werden kann und damit sehr gut in einer Serienproduktion eingesetzt werden kann. Bevorzugt wird das Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min, bevorzugt von unter 6 min durchgeführt.
Für das gesamte erfindungsgemäße Verfahren richten sich die zu wählenden
Verfahrensparameter nach der im Einzelfall eingesetzten Anlage und deren
Auslegung, sowie den eingesetzten Materialien. Sie können durch wenige
Vorversuche für den Fachmann leicht ermittelt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mittels eines Twin-sheet-Verfahrens unter Vakuum bzw. unter Unterdruck
durchgeführt werden. Die Twin-sheet-Vorrichtung ist dabei derart gestaltet, dass diese als Pressformmaschine eingesetzt werden kann. Das Twin-sheet-Verfahren zeichnet sich grundsätzlich dadurch aus, dass zwei oder mehr Werkstücke in einem Verfahrensschritt im Vakuum bzw. unter Unterdruck verformt und dabei ohne Zusätze wie Klebstoffe, Schweißhilfsstoffe oder
Lösungsmittel miteinander verschweißt werden. Dieser Verfahrensschritt ist in kurzen Taktzeiten, wirtschaftlich und umweltfreundlich durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass dieses Verfahren durch den zusätzlichen Prozessschritt des Vorwärmens der Werkstücke durch Bestrahlung mit NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι in
Prozessschritt b) auch zur Verarbeitung von den oben genannten
Hartschaum Werkstoffen, die nach Stand der Technik dazu ungeeignet schienen, verwendet werden kann. Durch das relativ schnell durchführbare Aufheizen mit der genannten Strahlung wird eine spannungsfreie, gleichmäßige Wärmeverteilung im gesamten Werkstück erzielt. Dabei kann die Intensität der Strahlung je nach verwendetem Schaumwerkstoff im genannten Bereich variiert werden. Bei zusätzlichem Einsatz von Deckmaterialien werden die Temperatur der Heizfelder und deren Intensität dermaßen modifiziert, dass auch bei unterschiedlichen
Verarbeitungs- und Formungstemperaturen Schaumkern und Deckmaterialien gemeinsam umgeformt und verbunden werden. Solche Anpassungen sind für den Fachmann mit wenigen Versuchen leicht durchführbar.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es umweltschonend und in sehr kurzen Taktzeiten durchgeführt werden kann unter gleichzeitiger
Zusammenfassung mehrerer Arbeitsschritte in einem Prozess.
Überraschenderweise ist die Wahl des Deckmaterials relativ frei. Es kann sich dabei beispielsweise um reine Thermoplasten, um Gewebe oder Gestricke oder Verbünde daraus, wie z.B. so genannte Organobleche oder kunststoffbeschichtete textile Trägerbahnen wie z.B. Kunstleder handeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Deckmaterial um einen faserverstärkten Kunststoff. Bei den Fasern kann es sich wiederum beispielsweise um Aramid-, Glas-, Kohle-, Polymer- oder Textilfasern handeln. Bei dem Kunststoff wiederum kann es sich bevorzugt um PP, Polyethylen
(PE), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), ein Epoxidharz, ein Isocyanatharz, ein Acrylatharz, einen Polyester oder um ein Polyamid handeln.
Ein bevorzugtes Material für den Schaumkern stellt dabei P(M)I, insbesondere PMI dar. Solche P(M)I-Schäume werden auch als Hartschäume bezeichnet und zeichnen sich durch eine besondere Festigkeit aus. Die P(M)I-Schäume werden normalerweise in einem zweistufigen Verfahren hergestellt: a) Herstellung eines Gusspolymerisats und b) Aufschäumen dieses Gusspolymerisats.
Zur Herstellung des Gusspolymerisats werden zunächst Monomergemische, welche (Meth)acrylsäure und (Meth)acrylnitril, vorzugsweise in einem Molverhältnis zwischen 2:3 und 3:2, als Hauptbestandteile enthalten, hergestellt. Zusätzlich können weitere Comonomere verwendet werden, wie z.B. Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, Styrol, Maleinsäure oder Itaconsäure bzw. deren Anhydride oder Vinylpyrrolidon. Dabei sollte der Anteil der Comonomeren jedoch nicht mehr als 30 Gew% betragen. Geringe Mengen von vernetzenden Monomeren, wie z.B. Allylacrylat, können auch verwendet werden. Die Mengen sollten jedoch vorzugsweise höchstens 0,05 Gew% bis 2,0 Gew% betragen.
Das Gemisch für die Copolymerisation enthält ferner Treibmittel, die sich bei
Temperaturen von etwa 150 bis 250 °C entweder zersetzen oder verdampfen und dabei eine Gasphase bilden. Die Polymerisation erfolgt unterhalb dieser Temperatur, so dass das Gusspolymerisat ein latentes Treibmittel enthält. Die Polymerisation findet zweckmäßig in Blockform zwischen zwei Glasplatten statt.
In einem zweiten Schritt erfolgt dann bei entsprechender Temperatur das
Aufschäumen des Gusspolymerisats. Die Herstellung solcher PMI-Schäume ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und kann beispielsweise in EP 1 444 293, EP 1 678 244 oder WO 201 1/138060 nachgelesen werden. Als PMI-Schäume seien insbesondere ROHACELL®-Typen der Firma Evonik Industries AG genannt.
Bezüglich Herstellung und Verarbeitung sind zu den PMI-Schäumen Acrylimid- Schäume als Analoga anzusehen. Aus toxikologischen Gründen sind diese jedoch gegenüber anderen Schaummaterialien deutlich weniger bevorzugt. Die benötigten Schaumteile können durch eine geeignete Wahl der Glasplatten oder durch eine Herstellung mittels eines In-mold-Foamings hergestellt werden. Alternativ erfolgt die Herstellung aus aufgeschäumten Schaumplatten durch Herausschneiden, Sägen oder Fräsen. Dabei können bevorzugt mehrere Schaumteile aus einer Platte geschnitten werden. Die Dichte des Hartschaummaterials ist relativ frei wählbar. PMI Schäume können beispielsweise in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 eingesetzt werden.
Gesägte, geschnittene oder gefräste Schaumkernstücke haben dabei den Vorteil gegenüber mittels In-mold-Foaming hergestellten, dass diese an der Oberfläche offene Poren aufweisen. Beim Inkontaktbringen mit den harzgetränkten Fasern dringt ein Teil des noch nicht ausgehärteten Harzes in diese offenen Poren an der
Schaumkernoberfläche ein. Dies hat den Vorteil, dass nach Aushärtung eine besonders starke Haftung an der Grenzfläche zwischen Schaumkern und
Mantelmaterial erhalten wird.
Neben dem beschriebenen Verfahren sind auch die mittels des Verfahrens
herstellbaren Composite-Materialien Teil der vorliegenden Erfindung. Diese
Composite-Materialien weisen einen Hartschaumkern aus aufgeschäumten PP, P(M)I oder hochvernetzten PU und zwei Deckschichten aus mindestens einem ausgehärteten Harz und einem Fasermaterial auf. Gegenüber dem Stand der Technik unterscheiden sich diese Composite-Materrialien dadurch, dass sich die Deckschichten aus einem ausgehärteten Prepreg- oder SMC-Material bestehen und keine Verbindungselemente wie Nähte, Bolzen oder andere Krafteinleitungselemente aufweisen. Zusätzlich können sich die erfindungsgemäßen Composite-Materialien dadurch unterscheiden, dass sie keine Klebschicht zwischen Schaumkern und Deckmaterialien aufweisen müssen.
Grundsätzlich sind die erfindungsgemäßen Werkstücke aus einem Hartschaumstoff als Kernmaterial sehr breit einsetzbar.
Erfindungsgemäß hergestellte Composite-Materialien können insbesondere
Anwendung in der Serienfertigung z.B. für Karosseriebau oder für
Innenverkleidungen in der Automobilindustrie, Interiorteile im Schienenfahrzeugsoder Schiffsbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Maschinenbau, beim
Möbelbau oder bei der Konstruktion von Windkraftanlagen finden. Beschriftung der Zeichnung
Fig. 1 : Schematische Darstellung der Fertigung von erfindungsgemäßen Composite- Bauteilen
A: Aufheizphase; B: Formgebung (1 ) IR-Heizungen
(2) Schalenwerkzeuge der Presse
(3) Schaumkern
(4) Prepregs im Spannrahmen
(5) Composite-Material aus Schaumkern und zwei ausgehärteten Prepregs
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden für einige besondere Ausführungsformen der Erfindung allgemeine Beschreibungen aufgezeigt. Dabei enthalten diese auch Beispiele.
Entsprechende Versuche konnten erfolgreich durchgeführt werden.
Beispiel: Fertigung von faserverstärkten Kunststoffen mit Schaumstoffkern
(Compositebauteile)
Das Verfahren wird auf einer Twin-sheet Umformmaschine wie zum Beispiel Modell T8 von der Fa. Geiss AG, durchgeführt. Die Maschine war dabei in folgender Konfiguration ausgerüstet:
Heizfelder mit Flash-Strahlern (NIR; 0,78-1 ,40 μηη)
Verstellbares Arbeitsraumfenster
Höhenverstellbare Oberheizung Presskraft 30 to (min.), motorische Antriebe Heiz- und kühlbares Umformwerkzeug
Zur Veranschaulichung dieser Ausführungsform sei auf Fig.1 verwiesen.
Es wird ein PMI-Schaum des Typs ROHACELL® IG in der Dichte 71 Kg/m3 und der Dicke 12,7 mm verwendet.
Im Allgemeinen richten sich die zu wählenden Verfahrensparameter nach der Auslegung der im Einzelfall eingesetzten Anlage. Sie müssen durch Vorversuche ermittelt werden. So richtet sich die Führungstemperatur TF nach dem Tg(S) der PMI- Schaummatrix, nach der Umformtemperatur der Deckschichten, nach der
Höheneinstellung der Oberheizung Tg(S) < TF (Temperatur der Oberheizung). Dabei gilt, dass die Temperatur der Oberheizung höher einzustellen ist, umso größer der Abstand zur Schaummatrix ist. Je nach Umformgrad (Ug) der partiellen
Bauteilbereiche kann auch die Strahlerfeldintensität (I) variiert werden. In Randnähe zum Niederhalter wird die Strahlerfeldintensität I nahe 100% gewählt, um ein
Nachfließen des Materials zu gewährleisten und gleichzeitig die Einspannung des Materials zu erhalten.
Auflage der Deckschichten: Es können z.B. drapierfähige Gewebe / Gelege oder aus unterschiedlichsten Faserarten oder Fasermischungen gefertigte Materialverbunde eingesetzt werden, welche mit thermo-plastischen Phasen ausgerüstet sind. Dies kann optional unter Einsatz eines Schmelzkleberfilmes oder -vlieses als
Haftvermittler erfolgen. In konkretem Beispiel wurden oben und unten eine 800 μιτι dicke Schicht aus Organoblech der Firma Bond Laminates (Tepex ® Dynalite 102- RG600) eingesetzt. In einem weiteren Beispiel wurde Polycarbonatfolie Lexan in der Dicke 1500 μιτι beidseitig verwendet Der umzuformende Schaumkern wird in der Heizstation mittels IR-Strahlung auf eine Innentemperatur von 220 °C aufgeheizt und anschließend in das Presswerkzeug gefahren. Auf den beiden innenliegenden Flächen des Presswerkzeugs sind die genannten Deckschichtrohlinge aufgelegt. Anschließend wird das Presswerkzeug geschlossen und auf eine Temperatur von 180 °C erhitzt. Nach ca. 3 bis 4 min wird das Werkzeug auf unter 80 °C abgekühlt und das Bauteil wird entnommen. Nach einem Wiederaufheizen des Werkzeuges kann mit der Fertigung des nächsten Composite-Bauteiles begonnen werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von Composite-Materialien mit zwei Deckschichten und einem dazwischen liegendem Schaumkern, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff des Schaumkerns um hochvernetztes PU, um PP oder um P(M)I handelt, und dass das Verfahren folgende
Prozessschritte aufweist: a) Aufheizen des Schaumkern in einer Heizstation mit naher Infrarot- Strahlung (NIR-Strahlung), b) Überführen des aufgeheizten Schaumkerns in eine Presse mittels einer Transporteinrichtung mit Verfahrrahmen, c) Schließen der Presse, wobei die Presse ein zweischaliges Werkzeug aufweist und beide Werkzeugschalen jeweils mit einer Faser-Matrixoder Prepregdecklage, zusammengesetzt aus einem Fasermaterial und einem Harz, belegt sind, d) Aufheizen der Werkzeugschalen auf die Härtungstemperatur des
Harzes, e) Abkühlen der Werkzeugschalen auf eine Entformungstemperatur und f) Öffnen der Presse und Entnahme des Composite-Materials.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die NIR- Strahlung eine Wellenlänge zwischen 0,78 und 1 ,40 μιτι aufweist,
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff um einen PMI-Schaum in einem Dichtebereich von 25 bis 220 kg/m3 handelt.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass direkt vor oder direkt nach Prozessschritt c) ein
Vorformen des erhitzten Schaumkerns mittels Pressluft erfolgt.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Deckschicht um einen Prepreg handelt, der mindestens aus einem Harz, und einem Fasermaterial besteht.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form eines Gewebes, Gestrickes, Gelege oder als undirektionale Schicht vorliegen.
7. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei der Deckschicht um ein Sheet-Molding- Compound (SMC) handelt, das mindestens aus einem Harz, aus kurzen Fasern und aus mineralischen Füllstoffen besteht.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Harz um ein Vinylesterharz, ein Epoxidharz, ein
Isocyanatharz oder ein Acrylatharz handelt.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern um Kohle-, Glas-, Polymer- oder Aramidfasern handelt.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass Verfahren mit einer Taktzeit von höchstens 10 min durchgeführt wird.
1 1 . Composite-Material, aufweisend einen Hartschaumkern aus aufgeschäumten PP, P(M)I oder hochvernetzten PU und zwei Deckschichten aus mindestens einem ausgehärteten Harz und einem Fasermaterial, dadurch
gekennzeichnet, dass es mittels eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 herstellbar ist, und dass das Composite-Material keine Verbindungselemente wie Nähte, Bolzen oder andere
Krafteinleitungselemente aufweist.
12. Composite-Material gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
dieses keine Klebschicht zwischen Schaumkern und Deckschichten aufweist.
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