DE102013105080A1

DE102013105080A1 - Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff, nach dem Verfahren hergestelltes Halbzeug und daraus hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102013105080A1
Application number: DE102013105080.8A
Authority: DE
Inventors: Lothar Patberg; Stefan Mayer; Torsten Krahnert; Andreas COTT
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-18
Also published as: DE102013105080B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff, bei dem faserverstärkte Organoblech-Segmente zu einem wenigstens zweischichtigen Schichtverbund verbunden werden. Um die Umformbarkeit solcher Halbzeuge (nach Erwärmen des Thermoplasts) zu verbessern, so dass sich auch Bauteile mit komplexer Form, insbesondere mit relativ engen Formradien herstellen lassen, wobei die Bauteile zugleich sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen sollen, sieht die Erfindung vor, dass als faserverstärkte Organoblech-Segmente langfaserverstärkte Organoblech-Segmente (2.1, 2.2) verwendet werden, deren Langfasern (1) eine Länge von maximal 150 mm aufweisen, wobei Langfasern (1) wenigstens eines der Organoblech-Segmente (2.1, 2.2) im Wesentlichen unidirektional ausgerichtet sind, und wobei die Organoblech-Segmente (2.1, 2.2) zur Bildung des Schichtverbundes so angeordnet werden, dass eine Vielzahl parallel zueinander, vorzugsweise unidirektional ausgerichteter Langfasern (1) eines (2.2) der Organoblech-Segmente wenigstens zwei (2.1) in einer dazu benachbarten Schicht (5.1) angeordnete Organoblech-Segmente (2.1) überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff, bei dem faserverstärkte Organoblech-Segmente zu einem wenigstens zweischichtigen Schichtverbund verbunden werden. Ferner betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbzeug sowie ein daraus durch Umformen hergestelltes dreidimensional geformtes Bauteil.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 10 2011 111 233 A1 bekannt. Hierbei werden wenigstens zwei mit Endlosfasern, insbesondere Endlosglasfasern verstärkte Organoblechlagen mit unterschiedlichem Faserverlauf zu einem Schichtverbund verbunden, bei dem sich die Faserverläufe lageweise kreuzen. Aus dem Schichtverbund lassen sich beispielsweise durch Tiefziehen Strukturbauteile einer Kraftfahrzeug-Karosserie, insbesondere eine B-Säule, in Leichtbauweise herstellen, wobei das Leichtbauteil vergleichsweise biege- und verwindungssteif ist. Die Komplexität der aus dem Schichtverbund durch Umformen, insbesondere Tiefziehen herstellbaren Bauteile, beispielsweise die Ausbildung relativ enger Formradien, ist jedoch aufgrund der begrenzten Drapierbarkeit des bekannten Schichtverbundes limitiert.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich Halbzeuge und Bauteile in Leichtbauweise mit sehr guten mechanischen Eigenschaften herstellen lassen, wobei die Umformbarkeit der Halbzeuge (nach Erwärmen des Thermoplasts) erheblich verbessert ist, so dass sich auch Bauteile mit komplexer Form, insbesondere mit relativ engen Formradien herstellen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als faserverstärkte Organoblech-Segmente langfaserverstärkte Organoblech-Segmente verwendet werden, deren Langfasern eine Länge von maximal 150 mm aufweisen, wobei Langfasern wenigstens eines der Organoblech-Segmente im Wesentlichen unidirektional ausgerichtet sind, und wobei die Organoblech-Segmente zur Bildung des Schichtverbundes so angeordnet werden, dass eine Vielzahl parallel zueinander, vorzugsweise unidirektional ausgerichteter Langfasern eines der Organoblech-Segmente wenigstens zwei in einer dazu benachbarten Schicht angeordnete Organoblech-Segmente überlappen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die mechanischen Eigenschaften von langfaserverstärkten Thermoplasten bei ausreichender Faserüberlappung nur geringfügig niedriger sind als diejenigen von endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Die Formgebung (nach dem Erwärmen des Thermoplasts) ist dabei aber wesentlich unkomplizierter auf Grund der gesteigerten Drapierbarkeit bzw. höheren Flexibilität.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit Halbzeuge für die Herstellung von Leichtbauteilen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften herstellen, wobei sich die Halbzeuge (nach Erwärmen des Thermoplasts) durch eine erheblich verbesserte Umformbarkeit auszeichnen. Die aus den erfindungsgemäßen Halbzeugen durch Umformen, beispielsweise Tiefziehen unter Wärmeeinwirkung hergestellten Bauteile (Leichtbauteile) können sehr komplexe Formen, insbesondere relativ enge Formradien aufweisen.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Organoblech-Segmente zur Bildung des Schichtverbundes so angeordnet werden, dass eine Vielzahl parallel zueinander, vorzugsweise unidirektional ausgerichteter Langfasern eines der Organoblech-Segmente wenigstens zwei in einer dazu benachbarten Schicht angeordnete Organoblech-Segmente mit einer Länge von mindestens 20 mm, vorzugsweise mindestens 30 mm überlappen. Auf diese Weise werden neben einer verbesserten Drapierbarkeit bzw. höheren Flexibilität sehr gute spezifische mechanische Eigenschaften bei den erfindungsgemäß hergestellten Halbzeugen sichergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Schichtverbundes unidirektional- und/oder gewebeverstärkte Organobleche in Segmente zerteilt werden, anschließend so aneinandergelegt und in wenigstens zwei Schichten gestapelt werden, dass die Stoßstelle zwischen benachbarten Organoblech-Segmenten einer der Schichten durch wenigstens eines der Organoblech-Segmente einer dazu parallelen Schicht überdeckt wird, und dass die so aneinander gelegten und gestapelten Organoblech-Segmente dann zu dem Schichtverbund konsolidiert werden. Auf diese Weise lassen sich Halbzeuge sowie Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten mit sehr guten spezifischen mechanischen Eigenschaften, bei guter Drapierbarkeit mit der Möglichkeit zur belastungsgerechten Auslegung der Halbzeuge bzw. Bauteile rationell herstellen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schichtverbund aus Organoblech-Segmenten hergestellt, die sich hinsichtlich ihrer Faserart und/oder ihres Faservolumengehaltes voneinander unterscheiden können. Auf diese Weise lassen sich Halbzeuge für die Herstellung von Leichtbauteilen erzielen, die hinsichtlich ihrer Umformung in ein komplex geformtes Leichtbauteil und dessen Belastbarkeit maßgeschneidert und damit optimal ausgelegt sind. Bei den kombinierten unterschiedlichen Faserarten kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Kunststofffasern und/oder Metallfasern handeln. Insbesondere können dabei Segmente mit verschiedenen Faservolumengehalten kombiniert werden, so dass sich im fertigen Bauteil in bestimmten Bereichen unterschiedliche Faserdichten ergeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schichtverbund als mindestens dreischichtiger Schichtverbund ausgebildet wird, wobei in den äußeren Schichten Organoblech-Segmente angeordnet werden, die jeweils einen höheren Faservolumengehalt aufweisen als die Organoblech-Segmente, die in einer oder der mittleren Schicht des Schichtverbundes angeordnet sind. Ein Halbzeug mit einem solchen Aufbau eignet sich besonders gut für die Herstellung von auf Biegung belasteten Bauteilen. In der oder den mittleren Schichten werden gezielt weniger Fasern angeordnet, da dort die Biegespannung geringer ist als in den äußeren Schichten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die langfaserverstärkten Organoblech-Segmente aus mindestens einem rezyklierten faserverstärkten Organoblech, vorzugsweise aus Verschnitt, welcher bei der Herstellung eines Bauteils aus endlosfaserverstärktem Organoblech angefallen ist, hergestellt werden. Hierdurch lassen sich die Materialkosten bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbzeuge sowie Bauteile erheblich reduzieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schichtverbund ein- oder beidseitig mit einem anderen Material aus Kunststoff und/oder Metall beschichtet. Auf diese Weise lassen sich Hybridhalbzeuge mit besonders guten mechanischen Eigenschaften sowie guter Drapierbarkeit erzeugen.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen (Varianten) des erfindungsgemäßen Verfahrens können ferner miteinander auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, wobei insbesondere die Zuschnittwinkel und/oder die Halbzeugarten variiert werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Wesentlichen darin, dass der Schichtverbund als Halbzeug in Segmente zerteilt wird, die Schichtverbund-Segmente anschließend so aneinander gelegt und in wenigstens zwei Schichten gestapelt werden, dass die Stoßstelle zwischen benachbarten Schichtverbund-Segmenten einer der Schichten durch wenigstens eines der Schichtverbund-Segmente einer dazu parallelen Schicht überdeckt wird, und dass die so aneinander gelegten und gestapelten Schichtverbund-Segmente dann zu einem neuen Halbzeug verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als Halbzeug ein- oder beidseitig mit langfaserverstärkten Organoblech-Segmenten beschichtet wird, wobei die Organoblech-Segmente aneinander gelegt und mit dem Halbzeug verbunden werden. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens vor, dass der Schichtverbund vor der Beschichtung mit den langfaserverstärkten Organoblech-Segmenten in Segmente zerteilt wird und die Schichtverbund-Segmente vor der Beschichtung aneinander gelegt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schichtverbund als ein erstes Halbzeug mit mindestens einem weiteren Schichtverbund, der in seiner Herstellung dem ersten Halbzeug entspricht, beschichtet und zu einem neuen Halbzeug verbunden. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens vor, dass mindestens einer der Schichtverbunde vor der Beschichtung mit mindestens einem weiteren Schichtverbund in Segmente zerteilt wird und die Schichtverbund-Segmente vor der Beschichtung aneinander gelegt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die langfaserverstärkten Organoblech-Segmente und/oder aus dem Schichtverbund durch Zerteilen erzeugte Schichtverbund-Segmente so angeordnet werden, dass sich an dem hergestellten Halbzeug Überlappungsbereiche ergeben, in denen unidirektional ausgerichtete Langfasern, die in einer der Schichten enthalten sind, von unidirektional ausgerichteten Langfasern, die in einer anderen der Schichten enthalten sind, gekreuzt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Organoblech-Segmente durch Zuschneiden von bahnförmigem, unidirektional faserverstärktem Organoblech erzeugt, wobei das bahnförmige Organoblech quer zu seiner Längsachse in verschiedenen Schnittwinkeln zugeschnitten wird, so dass sich Organoblech-Segmente unterschiedlicher Form und/oder Größe ergeben. Aus diesen unterschiedlich großen sowie eine unterschiedliche Schnittform aufweisenden Organoblech-Segmenten lassen sich durch Aneinanderreihung und Stapelung optimal für den Belastungsfall konfektionierte Halbzeuge mit multidirektionaler Faserverstärkung erzeugen, die sich wiederum durch eine gute Drapierbarkeit für die Herstellung komplex geformter Leichtbauteile auszeichnen. Es ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht nur möglich, kontinuierliche Halbzeuge herzustellen, sondern auch verschiedenste flächige Gebilde, die sich wie ein Puzzle aus Abschnitten mit unterschiedlichsten Umrissen und unterschiedlichsten Ausrichtungen der Verstärkungsfasern zusammensetzen lassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der Überlappung von Langfasern in einem langfaserverstärkten Thermoplasten;
2 einen Abschnitt eines Organoblechbandes in Draufsicht;
3a und 3b Vorrichtungen in Form von Stetigförderern zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeuges in Seitenansicht;
4 eine dreilagige Anordnung von Organoblechabschnitten mit unterschiedlichem Faservolumengehalt, in perspektivischer Explosionsdarstellung;
5a einen Abschnitt eines Organoblechbandes in Draufsicht, das durch Querschneiden mit unterschiedlichen Schnittwinkeln in Abschnitte mit zur Bandlaufrichtung verschieden abgewinkelten Schnittkanten zerteilt wird;
5b eine aus Organoblechabschnitten gemäß 5a gebildete Schichtung in Draufsicht;
6a einen Abschnitt eines Organoblechbandes in Draufsicht, das durch Querschneiden mit einem schräg zur Bandlaufrichtung verlaufenden Schnittwinkel in gleichförmige Abschnitte zerteilt wird;
6b einen Abschnitt eines Organoblechbandes in Draufsicht, das durch Querschneiden mit einem im Wesentlichen rechtwinklig zur Bandlaufrichtung verlaufenden Schnittwinkel in gleichförmige Abschnitte zerteilt wird;
6c mehrere Abschnitte gemäß 6a, die unter Verschiebung entlang ihrer Schnittkanten aneinander gelegt sind, in Draufsicht;
6d mehrere Abschnitte gemäß 6b, die an ihren Schnittkanten aneinander gelegt sind, in Draufsicht; und
6e eine aus den aneinander gelegten Abschnitten der 6c und 6d gebildete Schichtung, in Draufsicht.
Die Erfindung basiert auf dem in 1 skizzierten Prinzip, wonach zumindest eine Teilmenge von Langfasern 1 in einem Halbzeug oder Bauteil aus thermoplastischem Kunststoff so zueinander angeordnet sind, dass sich eine ausreichende Faserüberlappung ergibt. Die in dem erfindungsgemäß hergestellten Halbzeug oder Bauteil enthaltenen Langfasern 1 besitzen eine Länge von maximal 150 mm. Die Faserüberlappung beträgt mindestens 20 mm, vorzugsweise mindestens 30 mm. Die Mindestlänge der Faserüberlappung ist in 1 mit „L kritisch” bezeichnet. Die Teilmenge der mit einer solchen Überlappung in dem thermoplastischen Halbzeug oder Bauteil enthaltenen Langfasern 1 beträgt beispielsweise mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70% der enthaltenen Langfasern.
Die Langfasern 1 sind in dem erfindungsgemäß hergestellten Halbzeug oder Bauteil vorzugsweise im Wesentlichen unidirektional zueinander ausgerichtet. Zumindest für ein flächiges Teilstück des erfindungsgemäßen Halbzeuges oder Bauteils trifft dies zu. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, Fasergewebe als Verstärkung in den erfindungsgemäßen Halbzeugen oder Bauteilen zu integrieren bzw. für die Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff Organobleche zu verwenden, die Fasergewebe als Verstärkung enthalten, wobei diese Organobleche beispielsweise in Form von bandförmigen Organoblechen durch Schneiden quer und zusätzlich auch längs zu ihrer Längserstreckung in Teilbleche geteilt werden.
In den 3a und 3b ist der Aufbau einer Anlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass ein längliches oder bandförmiges Organoblech 2 aus thermoplastischem Kunststoff, das im Wesentlichen unidirektional ausgerichtete Verstärkungsfasern 1', beispielsweise Endlosfasern enthält, einer Schneidevorrichtung 3 zugeführt wird. Das Zuführen des Organoblechs 2 zu der Schneidevorrichtung 3 erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich, beispielsweise intermittierend, wobei das Organoblech 2 so bewegt wird, dass die Bewegungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung der unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern 1' ist. Der Transport des Organoblechs 2 zu der Schneidevorrichtung 3 erfolgt vorzugsweise mittels eines Stetigförderers 4, beispielsweise eines Bandförderers.
Das Organoblech 2 wird mittels der Schneidevorrichtung 3 in Teilstücke (Segmente) 2.1 zerteilt. Die Abmessungen der Segmente 2.1 werden so gewählt, dass das jeweilige Organoblech-Segment 2.1 eine Länge von maximal 150 mm bzw. Langfasern 1 mit einer Länge von maximal 150 mm aufweist.
Die so erhaltenen Segmente 2.1 werden anschließend aneinander gelegt und in mindestens zwei Lagen (Schichten) 5.1, 5.2 gestapelt, wobei die Segmente 2.1 einer aufgelegten Lage (z. B. Schicht 5.2) versetzt zu den Segmenten 2.1 der darunterliegenden Lage (z. B. Schicht 5.1) angeordnet sind, so dass die einander zugewandten Stoßkanten 6 zweier Segmente 2.1 einer der Lagen jeweils durch ein Segment 2.1 der dazu benachbarten Lage überbrückt werden und sich dementsprechend eine Überlappung der Langfasern 1 ergibt (siehe 3b).
Das Aneinanderlegen (Aneinanderreihen) und Stapeln der Organoblech-Segmente 2.1 erfolgt vorzugsweise auf einem Stetigförderer, beispielsweise Bandförderer. Hierzu wird vorzugsweise eine Transfervorrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise ein Roboter verwendet.
Die aneinander gelegten und in mindestens zwei Lagen 5.1, 5.2 gestapelten Organoblech-Segmente 2.1, deren maximal 150 mm lange Langfasern 1 mit einer Überlappung von mindestens 20 mm, vorzugsweise mindestens 30 mm die Stoßfugen 6 überbrücken, werden anschließend zu einem Halbzeug oder Bauteil konsolidiert. Die Konsolidierung erfolgt vorzugsweise durch Erwärmen oder Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix der Segmente und Formgebung bzw. durch Aneinanderpressen der Segmente unter Hitzeeinwirkung. Aufgrund der Faserunterbrechung an den verschmolzenen Schnittkanten der Segmente 2.1 weist das daraus hergestellte Halbzeug oder Bauteil eine gute Drapierbarkeit bzw. Umformbarkeit auf.
Die Halbzeuge oder Bauteile können dabei erfindungsgemäß aus einer einzigen Art eines Organoblechs 2, das aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff mit im Wesentlichen unidirektional zueinander ausgerichteten Endlosfasern 1' und/oder Langfasern 1 zusammengesetzt ist, oder aus verschiedenen Arten eines solchen Organoblechs 2 hergestellt werden. Die zur Herstellung eines Halbzeuges oder Bauteils verwendeten Organobleche 2 können sich dabei in der Art der Faseranordnung, der Faserart und/oder des Faservolumengehalts voneinander unterscheiden. Hinsichtlich der Faseranordnung werden vorzugsweise Organobleche 2 verwendet, die ein unidirektionales Fasergelege enthalten. Es können aber – wie oben bereits erwähnt – auch Organobleche 2 als Ausgangsmaterial verwendet werden, die ein Gewebe aufweisen. Das Gewebe ist dabei beispielsweise als Leinwand-, Köper- oder Atlasbindung ausgeführt. Die in den erfindungsgemäß verwendeten Organoblechen 2 integrierten Fasern bestehen vorzugsweise aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Kunststoff-, Keramik- und/oder Metallfasern. Segmente 2.1 mit unterschiedlichen Faserarten können in dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich können Organoblech-Segmente 2.1 mit verschiedenen Faservolumengehalten kombiniert werden, so dass im Endbauteil in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Faserdichten vorhanden sind.
Das thermoplastische Matrixmaterial des verwendeten Organoblechs 2 oder der kombinierten verschiedenen Organobleche 2 besteht beispielsweise aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA), thermoplastischem Polyurethan (TPU) oder Polyphenylensulfid (PPS).
In 4 ist ein Beispiel für die Kombination verschiedener Organoblech-Segmente 2.1, 2.2 zur Herstellung eines Halbzeuges oder Bauteils aus langfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff dargestellt. Es wird eine dreilagige Anordnung von Organoblech-Segmenten 2.1, 2.2 mit unterschiedlichem Faservolumengehalt gebildet, wobei die in den äußeren Lagen (Schichten) 5.1, 5.3 angeordneten Segmente 2.1 jeweils einen relativ hohen Langfaservolumenanteil aufweisen, wohingegen die in der mittleren Lage (Schicht) 5.2 angeordneten Segmente 2.2 jeweils einen relativ niedrigen Langfaservolumenanteil haben. Die übereinander angeordneten Segmente 2.1, 2.2 sind versetzt zueinander angeordnet, so dass sich deren im Wesentlichen unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 einander überlappen. Diese Anordnung eignet sich für die Herstellung von auf Biegung belasteter Bauteile. In der mittleren Lage 5.2 werden weniger Fasern 1 vorgesehen, da die Biegespannung dort geringer ist als in den äußeren Lagen 5.1, 5.3.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in weiteren Varianten ausführen. Beispielsweise kann aus einem aus mehreren gleichen oder unterschiedlichen Organoblechen 2 erfindungsgemäß hergestellten langfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeug durch Schneiden des Halbzeuges, anschließendes Aneinanderlegen und überlappendes Stapeln der Halbzeug-Segmente und Konsolidieren (z. B. Verschmelzen) der überlappend gestapelten Halbzeug-Segmente ein Halbzeug hergestellt werden. Auch können mehrere erfindungsgemäß hergestellte langfaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge zu einem neuen Halbzeug aufeinander geschichtet und miteinander stoffschlüssig verbunden, z. B. verschmolzen werden. Dabei können auch mindestens eines oder alle der miteinander zu verbindenden Halbzeuge vor dem Aufeinanderschichten und Verbinden in mehrere Segmente geschnitten werden. Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein erfindungsgemäß hergestelltes langfaserverstärktes thermoplastisches Halbzeug, das aus einem aus mehreren gleichen oder unterschiedlichen Organoblechen 2 hergestellt wurde, ein- oder beidseitig mit langfaserverstärkten thermoplastischen Organoblech-Segmenten 2.1 und/oder 2.2, die durch Schneiden eines bahnförmigen Organoblechs 2 erlangt wurden, zu beschichten.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug zu einem Hybridhalbzeug weiterzuverarbeiten, indem es ein- oder beidseitig mit anderen Materialien zu beschichten wird. Beispielsweise können mittels einer Doppelbandpresse Mehrschichtbauteile aus einem erfindungsgemäß hergestellten langfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeug und einem Metallblech, insbesondere Stahl- oder Leichtmetallblech erzeugt werden. Auf diese Weise kann z. B. ein Stahl-Organohalbzeug-Stahl-Sandwich hergestellt werden.
In den 5a und 5b ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hierbei wird der Zuschnittwinkel Z beim Zuschneiden von Organoblech-Segmenten oder von Segmenten aus mindestens einem daraus erfindungsgemäß hergestellten Halbzeugs variiert. Beispielsweise wird wiederum ein bandförmiges Organoblech 2 aus thermoplastischem Kunststoff mit unidirektionaler Faserverstärkung 1', z. B. Endlosfasern der oben genannten Art, einer Schneidevorrichtung zugeführt, wie dies oben mit Bezug auf 3a beschrieben ist. Die Schneidevorrichtung ist nun so ausgebildet, dass aus dem bandförmigen Organoblech 2 (oder aus einem der oben beschriebenen Halbzeuge) Segmente 2.1, 2.1', 2.1'' mit beliebigem Schnittkantenverlauf S bzw. Schnittwinkel Z ausgeschnitten oder zugeschnitten werden können. Beispielsweise werden aus dem bandförmigen Organoblech 2 rechteckige, insbesondere quadratische Segmente 2.1 sowie verschieden große parallelogrammförmige Segmente 2.1', 2.1'' mit zueinander unterschiedlich abgewinkelten geraden Kantenpaaren zugeschnitten.
Die verschiedenen Segmente 2.1, 2.1', 2.1'' werden anschließend so aneinandergelegt und überlappend geschichtet und danach miteinander konsolidiert (verschmolzen), dass dadurch für den speziellen Belastungsfall der herzustellenden Bauteile optimal konfektionierte Halbzeuge mit multidirektionaler Faserverstärkung erzeugt werden. Beispielsweise werden zur Herstellung solcher Halbzeuge mehrere parallelogrammförmige Segmente 2.1'' in einer ersten Lage (Schicht) 5.1 so aneinander gelegt, dass die im Wesentlichen unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 dieser Segmente 2.1'' parallel zueinander und quer zur Längsachse dieser Lage verlaufen. Anschließend werden in einer zweiten oder nächsten Lage (Schicht) 5.2 mehrere kleinere (oder gegebenenfalls größere) parallelogrammförmige Segmente 2.1', deren spitze Winkel größer (oder gegebenenfalls kleiner) als die spitzen Winkel der parallelogrammförmigen Segmente 2.1'' der ersten Lage (Schicht) 5.1 sind, so aneinander gelegt, dass die im Wesentlichen unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 dieser Segmente 2.1' ebenfalls parallel zueinander und quer zur Längsachse dieser Lage verlaufen. Die unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 dieser Segmente 2.1' kreuzen dabei die unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 der darunter liegenden Segmente 2.1''. Des Weiteren werden in einer dritten oder nächsten Lage (Schicht) 5.3 mehrere rechteckige Segmente 2.1 überlappend zu den Stoßkanten der darunter liegenden Segmente angeordnet, wobei die im Wesentlichen unidirektional ausgerichteten Langfasern 1 der rechteckigen Segmente 2.1 die Langfasern 1 der darunter liegenden Segmente 2.1', 2.1'' kreuzen und beispielsweise parallel zur Längsachse einer der unteren Lagen 5.1, 5.2 verlaufen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines gut drapierbaren (umformbaren) Halbzeuges aus thermoplastischem Kunststoff mit multdirektionaler Faserverstärkung ist in den 6a bis 6e dargestellt.
Aus zwei gleichen oder unterschiedlichen bandförmigen Organoblechen, die jeweils eine in Bandlängsrichtung verlaufende unidirektionale Faserverstärkung, z. B. Endlosfasern aufweisen, werden zum einen parallelogrammförmige Segmente 2.1' (6a) und zum anderen im Wesentlichen rechteckige Segmente 2.1 (6b) zugeschnitten.
Die parallelogrammförmigen Segmente 2.1' gemäß 6a werden an ihren Schnittkanten S relativ zueinander verschoben, so dass die Langfasern 1 der benachbarten Segmente 2.1' zwar weiterhin fluchten bzw. parallel zueinander verlaufen, jedoch dann schräg zur Längsachse der durch diese Segmente definierten Lage 5.1 ausgerichtet sind. Die Lage 5.1 weist aufgrund der Verschiebung der Segmente 2.1' sägezahnförmige Längsränder auf (vgl. 6c).
Die aus dem bandförmigen Organoblech 2 zugeschnittenen rechteckigen Segmente 2.1 werden mit ihren Schnittkanten S aneinander gelegt und so mit den parallelogrammförmigen Segmente 2.1' kombiniert, dass sie deren Schnittkanten S überlappen. Die Schnittkanten S der verschiedenen Segmente 2.1, 2.1' können dabei gleichweit voneinander beabstandet sein. Die überlappende Anordnung der Segmente 2.1, 2.1' ist beispielsweise so ausgeführt, dass die Schnittkanten S (Stoßstellen 6) der parallelogrammförmigen Segmente 2.1' etwa mittig zwischen den Schnittkanten S (Stoßstellen 6) der rechteckigen Segmente 2.1 liegen. Die seitlich überstehenden sägezahnförmigen Bereiche der parallelogrammförmigen Segmente 2.1' können vor oder nach dem Konsolidieren dieser Segmentanordnung abgetrennt werden.
Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele verdeutlichen die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile. Die Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Es lassen sich mit den erfindungsgemäßen Halbzeugen komplexere Bauteilgeometrien darstellen als mit herkömmlichen endlosfaserverstärkten Organoblechen.
• Bei ausreichender Überlappung der Langfasern weisen die erfindungsgemäß hergestellten Halbzeuge oder Bauteile eine mechanische Leistungsfähigkeit, insbesondere eine Zug- und Druckfestigkeit sowie -steifigkeit auf, die in ähnlichen Größenordnungen wie diejenige von endlosfaserverstärkten Organoblechen liegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, rezyklierte endlosfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbzeuge oder Bauteile aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff zu verwenden.
• Die Erfindung bietet Freiheitsgrade hinsichtlich der Variation des Faservolumengehaltes, d. h. Bereiche des Bauteils mit höherer Belastung können gezielt mit mehr Fasern und somit einem höheren Faservolumengehalt versehen werden.
• Die Erfindung bietet Freiheitsgrade hinsichtlich der Kombination unterschiedlicher Halbzeug- und/oder Faserarten. Damit kann an einer bestimmten Stelle innerhalb des Bauteils das für die dort auftretende Belastung jeweils richtige Material platziert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine textilen Gewebe oder Gewirke, wodurch Kosten gespart werden können.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keinen Auftrag von Überzugsstoffen zur Glättung poröser Formteiloberflächen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt Halbzeuge bzw. Bauteile mit hoher Oberflächenqualität.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011111233 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff, bei dem faserverstärkte Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) zu einem wenigstens zweischichtigen Schichtverbund verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass als faserverstärkte Organoblech-Segmente langfaserverstärkte Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) verwendet werden, deren Langfasern (1) eine Länge von maximal 150 mm aufweisen, wobei Langfasern (1) wenigstens eines der Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) im Wesentlichen unidirektional ausgerichtet sind, und wobei die Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) zur Bildung des Schichtverbundes so angeordnet werden, dass eine Vielzahl parallel zueinander, vorzugsweise unidirektional ausgerichteter Langfasern (1) eines der Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) wenigstens zwei in einer dazu benachbarten Schicht angeordnete Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) zur Bildung des Schichtverbundes so angeordnet werden, dass eine Vielzahl parallel zueinander, vorzugsweise unidirektional ausgerichteter Langfasern (1) eines der Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) wenigstens zwei in einer dazu benachbarten Schicht angeordnete Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) mit einer Länge von mindestens 20 mm, vorzugsweise mindestens 30 mm überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Schichtverbundes unidirektional- und/oder gewebeverstärkte Organobleche (2) in Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) zerteilt werden, anschließend so aneinandergelegt und in wenigstens zwei Schichten (5.1, 5.2, 5.3) gestapelt werden, dass die Stoßstelle (6) zwischen benachbarten Organoblech-Segmenten (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) einer (5.1) der Schichten durch wenigstens eines der Organoblech-Segmente einer dazu parallelen Schicht (5.2) überdeckt wird, und dass die so aneinander gelegten und gestapelten Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) dann zu dem Schichtverbund konsolidiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund aus Organoblech-Segmenten (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) hergestellt wird, die sich hinsichtlich ihrer Faserart und/oder ihres Faservolumengehaltes voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als mindestens dreischichtiger Schichtverbund ausgebildet wird, wobei in den äußeren Schichten (5.1, 5.3) Organoblech-Segmente (2.1) angeordnet werden, die jeweils einen höheren Faservolumengehalt aufweisen als Organoblech-Segmente (2.1), die in einer oder der mittleren Schicht (5.2) des Schichtverbundes angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die langfaserverstärkten Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) aus mindestens einem rezyklierten faserverstärkten Organoblech (2), vorzugsweise aus Verschnitt, welcher bei der Herstellung eines Bauteils aus endlosfaserverstärktem Organoblech angefallen ist, hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund ein- oder beidseitig mit einem anderen Material aus Kunststoff und/oder Metall beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als Halbzeug in Segmente zerteilt wird, die Schichtverbund-Segmente anschließend so aneinandergelegt und in wenigstens zwei Schichten gestapelt werden, dass die Stoßstelle (6) zwischen benachbarten Schichtverbund-Segmenten einer der Schichten durch wenigstens eines der Schichtverbund-Segmente einer dazu parallelen Schicht überdeckt wird, und dass die so aneinander gelegten und gestapelten Schichtverbund-Segmente dann zu einem neuen Halbzeug verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als Halbzeug ein- oder beidseitig mit langfaserverstärkten Organoblech-Segmenten (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) beschichtet wird, wobei die Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) aneinandergelegt und mit dem Halbzeug verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund vor der Beschichtung mit den langfaserverstärkten Organoblech-Segmenten (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) in Segmente zerteilt wird und die Schichtverbund-Segmente vor der Beschichtung aneinandergelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als ein erstes Halbzeug mit mindestens einem weiteren Schichtverbund, der in seiner Herstellung dem ersten Halbzeug entspricht, beschichtet und zu einem neuen Halbzeug verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schichtverbunde vor der Beschichtung mit mindestens einem weiteren Schichtverbund in Segmente zerteilt wird und die Schichtverbund-Segmente vor der Beschichtung aneinandergelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die langfaserverstärkten Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) und/oder aus dem Schichtverbund durch Zerteilen erzeugte Schichtverbund-Segmente so angeordnet werden, dass sich an dem hergestellten Halbzeug (berlappungsbereiche ergeben, in denen unidirektional ausgerichtete Langfasern (1), die in einer (5.1) der Schichten enthalten sind, von unidirektional ausgerichteten Langfasern (1), die in einer anderen (5.2) der Schichten enthalten sind, gekreuzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) durch Zuschneiden von bahnförmigem, unidirektional faserverstärktem Organoblech (2) erzeugt werden, wobei das bahnförmige Organoblech (2) quer zu seiner Längsachse in verschiedenen Schnittwinkeln (Z) zugeschnitten wird, so dass sich Organoblech-Segmente (2.1, 2.1', 2.1'', 2.2) unterschiedlicher Form und/oder Größe ergeben.
Halbzeug hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Bauteil hergestellt aus einem Halbzeug gemäß Anspruch 15, wobei das Bauteil durch Umformen des Halbzeuges dreidimensional geformt ist.