WO2013098224A1 - Verfahren sowie vorrichtung zur herstellung eines faserverbundwerkstoffes in form mindestens eines mit einem polymer imprägnierten breit-faserbandes - Google Patents

Verfahren sowie vorrichtung zur herstellung eines faserverbundwerkstoffes in form mindestens eines mit einem polymer imprägnierten breit-faserbandes Download PDF

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    • B29C66/7377—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the state of the material of the parts to be joined amorphous, semi-crystalline or crystalline
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    • B29C66/8141—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined
    • B29C66/81411—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat
    • B29C66/81421—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat being convex or concave
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    • B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
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    • B29C66/814—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps
    • B29C66/8145—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the constructional aspects of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps
    • B29C66/81455—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the constructional aspects of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps being a fluid inflatable bag or bladder, a diaphragm or a vacuum bag for applying isostatic pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
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    • B29C66/8181—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the cooling constructional aspects, or by the thermal or electrical insulating or conducting constructional aspects of the welding jaws or of the clamps ; comprising means for compensating for the thermal expansion of the welding jaws or of the clamps characterised by the cooling constructional aspects
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    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing a fiber composite material in the form of at least one impregnated with a polymer broad sliver. Further, the invention relates to a wide sliver produced by this method and to a multilayer composite structure constructed with sections of such wide slivers.
  • Methods and devices for processing or producing a sliver are known from EP 0 392 431 A2, US Pat. No. 7,993,715 B2, US Pat. No. 7,964,266 B2, GB 502,409, DE 23 05 139 A, EP 1 908 586 A1, DE 10 2008 063 651 AI, US Pat. No.
  • the resulting wide sliver can be used for demanding fiber composite components that require no marking over the entire surface, especially for body parts on vehicles.
  • the single fiber ribbons used as the starting material for making the wide sliver may comprise a plurality of continuous filaments. Alternatively or additionally, it is possible for a fabric tape to be used as the fiber band, in which case also different than in FIG.
  • Process product may be an endless wide sliver. Wide sliver widths of several meters can be produced. Typical widths of the wide sliver lie between 280 mm and 1800 mm. Even larger widths are possible.
  • the individual slivers are introduced into the heating-pressure applying device so that the individual slivers abut each other during insertion over their adjacent side edges in abutting areas.
  • the heating pressurizing means when inserting the single fiber ribbons into the heating pressurizing means, there is no gap between adjacent side edges of the merged single fiber ribbons.
  • the individual fiber ribbons which are brought together in the heating-pressure-applying device abut against one another in the abutting areas so that they do not overlap one another. In the joint areas, therefore, there is no material thickening of the sliver. Heating across the entire width of the single fiber slivers across their Conveying direction can be done over the entire width of uniform temperature.
  • the heating of the individual fiber ribbons in the heating step can take place at a temperature which lies in a range between 1 K and 30 K above the melting or softening point of the polymer.
  • This heating temperature can be in the range between 1 K and 10 K or in the range between 2 K and 5 K above this melting or softening point.
  • Machining the fiber composite in this processing temperature range can improve a manufacturing result in welding the butt portions of the merged single fiber ribbons.
  • a distribution of individual fibers in the individual slivers remain uniform.
  • thermal damage to the components of the fiber composite material, in particular of the polymer can be avoided.
  • a rearrangement of the fiber structures within the individual fiber slivers takes place over the entire width of the wide sliver, which further improves homogenization of the material properties of the sliver sliver over its width.
  • Manufacturing may be done as a result of combined heating and pressurization in the heating pressurizing device.
  • This strip thickness reduction is accompanied by a divergence of the individual fiber slivers transversely to their conveying direction in the inlet region of the heating Pressurization device, so close gaps between adjacent side edges of the individual slivers until they abut each other in abutting areas and can weld together.
  • a shearing Vibrationsbeetzschlagung according to claim 3 leads to an effective homogeneous distribution of the polymer melt in the entire fiber volume structure of the broad sliver. Gas volumes, which are still within the individual fiber slivers and in particular in the joint area adjacent to adjacent individual slivers, can thereby be expelled efficiently.
  • the shear vibrational loading can be generated by means of the heating-pressurizing device.
  • the shearing Vibrationsbeetzschlagung spreading of the individual slivers takes place, that is, filaments of the individual slivers are shifted against each other, which improves wetting of the filaments with the molten polymer matrix.
  • This spreading may be accompanied by a reduction in the strip thickness of the manufactured wide sliver compared to the sliver thickness of the single slivers.
  • it is of particular advantage if the individual fiber ribbons are processed in a processing temperature range, which, as already explained above, in a relatively narrow range just above the melting or softening point of the polymer.
  • Cooling according to claim 4 leads to a wide sliver with defined thickness and with defined material parameters.
  • a non-pressurized conveying path can be covered.
  • a preheating according to claim 5 allows a rapid achievement of the processing temperature range when heating in the inlet region of the heating-pressurizing device. The preheating can take place along a small conveying path.
  • the entire heating conveyor, along which the individual slivers are heated up to the processing temperature can be in the range between 5 mm and 100 mm.
  • a further processing to a laminate layer structure according to claim 6 allows the production of fiber composite components for demanding applications.
  • a guide device of the transport device of the manufacturing device in front of the Schu- pressurizing device may be designed in a first embodiment, that the individual slivers are introduced with gaps between adjacent side edges in the heating-pressurizing device, which these spaces then only by the combined effect of heating and pressurizing in the heating-pressurizing device.
  • the guide device is designed such that the individual fiber slivers are brought together already as they enter the entry region such that adjacent side edges of the individual slivers abut one another in abutting regions.
  • the two pressing punches which interact with one another can be designed such that an entry area into a main pressing section between Tapered the press dies, for example, is conically tapered executed.
  • a preheating unit according to claim 12 may be embodied as a resistance heating unit, as an infrared heating unit, as a contact heating unit or as a high frequency heating unit.
  • the advantages of a broad sliver according to claim 14 and a multi-layer composite structure according to claim 15 correspond to those which have already been explained above with reference to the manufacturing method and the manufacturing apparatus.
  • the multilayer composite structure can be used in particular for constructing a vehicle body component or a vehicle frame component. Such composite structures are lightweight and stable.
  • the multilayer composite structure may have two layers, three layers, five layers, or an even greater number of layers.
  • FIG. 1 shows in perspective and schematically an apparatus for producing a fiber composite material in the form of a polymer impregnated with a broad sliver
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of FIG. 1 in the region of an entry region of a heating / pressurizing device of the production device
  • FIG. 3 shows a cross-section along a fiber transport direction through a section of the heating-pressurizing device in the region of two mutually interacting pressing dies thereof;
  • a heating-pressurizing device of a manufacturing apparatus for a fiber composite material in the form of a polymer-impregnated wide sliver is provided.
  • a device 1 is used to produce a fiber composite material in the form of a broad fiber sliver 2 impregnated with a polymer.
  • the device has a transporting device 3 for feeding a plurality of prefabricated individual fiber ribbons 4 and for transporting the individual fiber ribbons 4 along a processing path B.
  • the device 1 is supplied with six individual fiber ribbons 4 in the example shown in FIG. A much larger number of individual fiber ribbons 4 can also be fed to the device 1, for example 30 of the individual fiber ribbons 4.
  • a Cartesian xyz coordinate system is subsequently used.
  • a transport direction x runs in the figure 1 to the right.
  • a direction extends perpendicular to an xy band plane of the wide sliver 2 and the individual slivers 4.
  • the individual fiber ribbons 4 have a width of about 60 mm in the y direction.
  • Fiber material for the raw fiber sliver 4 may be glass fiber, carbon fiber, aramid, basalt, polyester or natural fiber.
  • the fibers can be combined into rovings or fiber yarns.
  • the rovings can be endless multi-filaments without twist.
  • the rovings of the individual fiber ribbons 4 can be treated with a sizing agent, the so-called sizing.
  • the fiber material is embedded in a matrix of an impregnating polymer. As impregnating polymer, a thermoplastic can be used.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • other polyolefins and blends of these polyolefins SAN (styrene / acrylonitrile), PA (polyamide), for example PA 6, PA 6.6, PA 6.6T, PA 12, PA 6.10, ASA (acrylonitrile / styrene / acrylic ester), PC (polycarbonate), PBT (polybutylene terephthalate), PET (polyethylene terephthalate), polymer blends, for example PC / PBT, PPS (polyphenylene sulfide), PSU (polysulfone), PES ( Polyethersulfone), PEEK (polyetheretherketone).
  • the impregnating polymer can also be a thermosetting resin, which can be applied as a B-stage melt (Resito).
  • the transport device 3 is shown schematically in FIG. 1 as a pair of rollers with draw-off rollers 5, 6.
  • a conveying unit of the transport device 3 can also be provided on the input side of the device 1, that is to say in the region of a conveying or machining path B of the individual fiber ribbons 4.
  • the device 1 has a heating-pressurizing device 7, which is supported by a machine frame 8.
  • the heating pressure Shocking device 7 the individual slivers 4 are brought together.
  • an inlet region 9, which is shown enlarged in FIG. 2 the individual fiber ribbons 4 are conveyed side by side into the heating / pressurizing device 7 in such a way that adjacent side edges 1 Oa of the merged individual fiber ribbons 4 which face one another initially spaced from each other, abut each other in abutting areas.
  • the heating-pressure applying device 7 has two mutually interacting press dies, namely a lower press die 10 and an upper press die 1 1. Both press dies 10, 1 1 are convex, which is clear in the xz-sectional view of Figure 3.
  • the section according to FIG. 3 is guided by a single sliver 4 entering from the left. This has a thickness perpendicular to the band plane of 0.35 - 0.4 mm.
  • a distance of the two press dies 10, 1 1 narrows to each other to a minimum distance in a main press plane 12, which is 0.2 mm.
  • FIGS. 1 and 2 For better clarity, the two press dies 10, 11 are not shown in FIGS. 1 and 2 in a press position, but with punches 10, 11 spaced widely apart in direction. A press position of the press dies 10, 11 is shown in FIG.
  • Embodiments of the heating-pressurizing device 7 are also possible, in which only one of the two press punches 10, 11 is convex and the other is designed, for example, with a flat pressing surface. Also convex / concave configurations of the press dies 10, 11 are possible, wherein a radius of curvature of the convex press die is smaller than a curvature radius of the concave press die.
  • the heating-pressurizing device 7 has in the inlet region 9, a heating unit 13 for heating the side-by-side conveyed individual slivers 4 to a temperature above a melting point of the polymer, wherein the heating over an entire width of the individual slivers 4 takes place transversely to the conveying direction.
  • the heating unit 13 is integrated into the two pressing dies 10, 11.
  • the heating pressure application device 7 can be designed in the manner of an interval hot press.
  • the heating units 13 may be implemented by resistance heating elements. Due to the effect of the heating unit 13, the two press dies 10, 1 1 in the input region 9 at a temperature above the polymer melting point of the individual slivers 4 and give heat over the entire width of the ram 10, 1 1 on the single slivers. The polymer matrix is melted over the entire width of the individual fiber ribbons 4.
  • the ram 10, 1 1 represent a printing unit for applying a pressure to the side-by-side, heated individual slivers 4 with the Schu-pressurizing 7 represents.
  • the heating units 13 of the ram 10, 1 1 are designed so that they are heated in the entire inlet region 9 of the heating-pressurizing device 7, ie to the main press plane 12. From the main press plane 12, the press dies 10, 11 are not further heated along the further processing path B, so that the temperature between the press dies 10, 11 decreases again.
  • the press zone in the processing path after the main press plane 12 simultaneously represents a cooling zone for the present in this area broad sliver 2.
  • the heated and welded together individual slivers 4 are thus still cooled during the pressurization with the Bank- pressurizing 7 under a lower temperature limit of the processing area, so that the polymer matrix solidifies again 5.
  • the heating units 13 along the inlet region 9 simultaneously constitute a tempering unit for holding the merged individual fiber ribbons 4 in a processing temperature range above the Polymeri e) melting point until the joint areas of the merged single slivers 4 weld together.
  • the heating units 13 (see FIG. 3) can cooperate in a manner not shown with temperature sensors 14, which are arranged at a small distance from the pressing surfaces of the press dies 10, 11 in them and measure a temperature in a press zone in the inlet area 9.
  • the temperature sensors 14 and the heating units 13 are for this purpose with a control / regulating unit 15 in signal connection, which is also part of the temperature control unit.
  • the processing temperature is in the range of a few 100 ° C, for example in the range of 250 ° C.
  • a temperature of the raw sliver 4 of 380 ° C is not exceeded.
  • Certain, particularly temperature-resistant materials may also use a higher heating temperature, for example 400 ° C. Even higher heating temperatures for the raw sliver 4 are possible.
  • the heating / pressurizing device 7 also has a preheating unit 16 for preheating the individual fiber slivers 4 prior to merging the individual slivers 4 in the inlet region 9 of the heating pressure applying device 7.
  • the preheating unit 16 is the two press punches 10, 1 1 upstream in the processing path B of the device 1.
  • the preheating device 16 simultaneously serves to guide the individual fiber slivers 4 into the entry region 9.
  • the preheating unit 16 and / or the heating units 13 can be embodied as infrared, contact or high-frequency heating units.
  • Cooling press rams 18, 19 can be cooled via a heat transfer medium, for example via cooling water , which is guided via fluid channels, which run through the cooling press punches 18, 19.
  • Downstream of the transport device 3 in the processing path B may be a laying and laminating device 20, on which a laminate layer structure is produced from a plurality of the produced wide fiber ribbons 2.
  • the wide sliver 2 is made up, optionally layered differently aligned and the layers of the wide sliver 2 are then joined together.
  • the heating-pressure application device 7 may comprise a shear Vibrationsbeetzwegungsö with the reassembled single fiber ribbons a Seher force along the y- direction, ie perpendicular to both the band normal and the conveying direction, exerted on the individual fiber ribbons 4 becomes.
  • the lower punch 10 and / or the upper punch 1 1 may be connected to a vibration device 21, which is also shown schematically in Figure 1.
  • the Direction of a vibration application V by the vibration device 21 is illustrated in Figure 1 by a double arrow.
  • the pressurization by the Bank-Druckbeetzstoffs- device 7 and / or the shearing Vibrationsbeetzschlagung on the vibrating unit 21 generate a spreading of the individual fiber ribbons 4, that is, filaments of the single fiber ribbons 4 are shifted against each other, resulting in an improvement of a wetting of the filaments with the polymer matrix, in particular in the joint area of the adjoining side edges 10a of the merged individual fiber ribbons 4.
  • With the spreading of the individual slivers is accompanied by a reduction in the strip thickness, ie a reduction in the z-dimension of the sliver.
  • the individual slivers 4 in the preheating unit 16 are initially at a very short distance along the processing path B, for example in a path range between 5 mm and 100 mm, to a processing temperature above a melting or softening point of the polymer heated.
  • the transport device 3 ensures a transport speed of the fiber ribbons in the range between 50 m / h and 200 m / h.
  • the melted individual fiber slivers 4 then enter the inlet region 9, the single slivers 4 diverge in the y-dimension by the pressurization on the ram 10, 1 1, so widen, and are compressed in the z-dimension. With this divergence of the individual slivers 4, a reduction in the distance between the side edges 10a adjacent individual slivers 4 is accompanied. This happens until the individual Fiber ribbons 4 abut each other over their adjacent side edges, in which case the individual fiber ribbons, which are still present in a temperature range above the polymer melting point, weld together.
  • the production takes place in such a way that a strip thickness of the produced wide sliver 2 is less than a strip thickness of the single slivers 4.
  • a shearing vibratory loading can simultaneously be effected via the vibration unit 21, which, as already mentioned, brings about an improvement in the wetting of the filaments within the fiber ribbons.
  • FIG. 4 shows an alternative heating / pressurizing device 22.
  • This comprises a first heating roller pair 23 with heating rollers 24, 25 and a cooling roller pair 26 with cooling rollers 27, 28 arranged downstream in the machining path B.
  • the function of the heating roller pair 23 corresponds to the function of FIG
  • the function of the cooling rollers 27, 28 corresponds to the function of the plunger 10, 1 1 after the main press plane 12 and the function of the cooling unit 17. Die Between the heating rollers 24, 25 incoming single slivers 4 are melted there and spread, merged until adjacent side edges of the individual slivers in the abutting areas abut each other and fused together. After passing through the heating roller pair 23, the initially fused wide sliver 2 is present, which is then brought to a temperature below the polymer melting point defined when passing through the cooling roller pair 26.
  • a double-wall or membrane press, a calender or a combination of corresponding printing devices can be used for the printing unit of the heating-pressurizing device 7 or 22.
  • the manufacturing process can be used for amorphous and semi-crystalline thermoplastic polymer materials and their blends and compounds.

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Abstract

Zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form mindestens eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes (2) wird zunächst eine Mehrzahl vorgefertigter Einzel-Faserbänder (4) bereit gestellt, die jeweils eine mit dem Polymer imprägnierte Filament-Struktur aufweisen. Die Einzel-Faserbänder (4) werden hin zu einer Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7) zusammengeführt. In einem Eintrittsbereich (9) werden die Einzel-Faserbänder (4) in die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7) nebeneinander so gefördert, dass benachbarte Seitenkanten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) in Stoßbereichen nebeneinander anliegen. Die nebeneinander geförderten Einzel-Faserbänder (4) werden mit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7) auf eine Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes des Polymers geheizt. Dieses Heizen erfolgt über eine gesamte Breite der Einzel-Faserbänder (4) quer zu deren Förderrichtung. Mit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung wird ein Druck auf die nebeneinander geförderten, geheizten Einzel-Faserbänder (4) aufgebracht. Die zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) werden in einem Bearbeitungstemperaturbereich oberhalb des Polymer-Schmelzpunktes gehalten, bis die Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) miteinander verschweißt sind. Die zum Breit-Faserband (2) miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder (4) werden anschließend abgekühlt. Mit diesem Verfahren, für welches auch eine Herstellungsvorrichtung angegeben wird, resultiert ein hinsichtlich seiner Eigenschaften über die gesamte Breite möglichst homogenes Breit-Faserband.

Description

Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form mindestens eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes Der Inhalt der deutschen Patentanmeldung DE 10 201 1 090 143.4 wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form mindestens eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes. Ferner betrifft die Verbindung ein mit diesem Verfahren hergestelltes Breit-Faserband und eine mit Abschnitten derartigen Breit-Faserbänder aufgebaute Mehrschicht- Verbundstruktur. Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung bzw. Herstellung eines Faserbandes sind bekannt aus der EP 0 392 431 A2, der US 7,993,715 B2, der US 7,964,266 B2, der GB 502,409, der DE 23 05 139 A, der EP 1 908 586 AI, der DE 10 2008 063 651 AI, der US 4,588,538 A , der EP 2 086 753 Bl, der EP 1 868 808 Bl, der US 2010/0075126 AI, der JP 2 688 845 B2, der JP 03 146777 A, der JP 03 251 408 A, der WO 2009/074490 A 1 , der US 2005/0221085 AI, der JP 2007-076224 A, der JP 2008-246782 A, der US 3,422,796 A, der US 4,059,068 A, der EP 0 397 506 A2, der US 5,798,068, der US 3,873,389 A, der US 3,993,726 A, der DE 25 07 675 AI, der US 4,300,878 A, der US 7,571,524 B2 und der US 6,1 14,000. Aus der DE 26 50 778 AI ist ein Verfahren durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Bändern bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein hinsichtlich seiner Eigenschaften über die gesamte Breite möglichst homogenes Breit-Faserband resultiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit dem im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit dem im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Aufheizen der Einzel- Faserbänder über deren gesamte Breite zu einer Homogenisierung des re- sultierenden Breit-Faserbandes über dessen gesamte Breite führt. Überraschend hat sich herausgestellt, dass hierzu ein Erhitzen alleine in den Stoßbereichen nicht ausreicht. Es wurde erkannt, dass das Aufheizen über die gesamte Breite der Einzel-Faserbänder zu Homogenisierungseffekten nicht nur in den Stoßbereichen der über die Seitenkanten aneinander angrenzen- den Einzel-Faserbändern, sondern auch innerhalb der Einzel-Faserbänder selbst führt. Es resultiert ein Breit-Faserband, welches auch dort über homogene Materialeigenschaften verfügt, wo die ursprünglichen Einzel- Faserbänder miteinander verschweißt wurden. Das resultierende Breit- Faserband kann für anspruchsvolle Faserverbundbauteile genutzt werden, bei denen eine Abzeichnungsfreiheit über die gesamte Fläche gefordert ist, insbesondere für Karosseriebauteile bei Fahrzeugen. Die Einzel- Faserbänder, die als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Breit- Faserbandes zum Einsatz kommen, können eine Vielzahl von Endlos- Fasern aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Faser- band ein Gewebeband zum Einsatz kommt, bei dem auch anders als in
Längsrichtung orientierte Einzelfasern vorhanden sind. Auch ein sonstiges, bandförmiges Fasergebilde, beispielsweise aus einem Non-Woven Fabric, oder ein Textilgebilde kann als Faserband zum Einsatz kommen. Beim Verschweißen der Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel- Faserbänder kann eine Entlüftung entgegen der Förderrichtung der Einzel- Faserbänder stattfinden. Das Herstellungsverfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Verfahrensprodukt kann ein endloses Breit- Faserband sein. Es können Breit-Faserbänder mit Breiten im Bereich meh- rerer Meter hergestellt werden. Typische Breiten des Breit-Faserbandes liegen zwischen 280 mm und 1800 mm. Auch noch größere Breiten sind möglich. Beim Zusammenführen der Einzel-Faserbänder in der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung sind zwei Fälle prinzipiell zu unterscheiden: Im ersten Fall haben beim Einlaufen der Einzel-Faserbänder in die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung benachbarte Seitenkanten der Einzel-Faserbänder zunächst einen Abstand zueinander, der sich beim Heizen der Einzel-Faserbänder auf eine Temperatur oberhalb des Polymer- Schmelzpunktes und beim Druckaufbringen dann verringert, da das Faserverbundmaterial der Einzel-Faserbänder quer zur Förderrichtung der Ein- zel-Faserbänder auseinander läuft und sich hierdurch noch im Eintrittsbereich ein Zwischenraum zwischen den benachbarten Seitenkanten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder schließt, sodass diese in Stoßbereichen aneinander anliegen. Im zweiten Fall werden die Einzel-Faserbänder in die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung so eingeführt, dass die Ein- zel-Faserbänder schon beim Einführen über ihre benachbarten Seitenkanten in Stoßbereichen aneinander anliegen. In diesem Fall liegt beim Einführen der Einzel-Faserbänder in die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung kein Zwischenraum zwischen benachbarten Seitenkanten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder vor. Die in der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrich- tung zusammengeführten Einzel-Faserbänder liegen in den Stoßbereichen so aneinander an, dass sie nicht miteinander überlappen. In den Stoßbereichen kommt es also nicht zu einer Materialverdickung des Faserbandes. Das Heizen über die gesamte Breite der Einzel-Faserbänder quer zu deren Förderrichtung kann mit über die gesamte Breite einheitlicher Temperatur erfolgen.
Das Aufheizen der Einzel-Faserbänder im Heizschritt kann auf eine Tem- peratur erfolgen, die in einem Bereich zwischen 1 K und 30 K oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungspunktes des Polymers liegt. Diese Heiztemperatur kann im Bereich zwischen 1 K und 10 K oder im Bereich zwischen 2 K und 5 K über diesen Schmelz- bzw. Erweichungspunkt liegen. Soweit die Bearbeitungstemperatur entsprechend knapp oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Polymers gehalten wird, ergibt sich eine erwünschte Reststabilität insbesondere der Polymer-Imprägnierung der erhitzten Einzel-Faserbänder, was bei den nachfolgenden Schritten des Herstellungsverfahrens vorteilhaft ist. Ein Bearbeiten des Faserverbundwerkstoffes in diesem Bearbeitungstemperaturbereich kann ein Fertigungser- gebnis beim Verschweißen der Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel-Faserbänder verbessern. Zudem kann eine Verteilung der Einzelfasern in den Einzel-Faserbändern gleichmäßig bleiben. Zudem kann eine thermische Schädigung der Komponenten des Faserverbundwerkstoffes, insbesondere des Polymers, vermieden werden.
Bei einem Herstellverfahren nach Anspruch 2 findet über die gesamte Breite des Breit-Faserbandes eine Umlagerung der Faserstrukturen innerhalb der Einzel-Faserbänder statt, was eine Homogenisierung der Materialeigenschaften des Breit-Faserbandes über dessen Breite nochmals verbessert. Eine Verringerung der Bandstärke der Einzel-Faserbänder während der
Herstellung kann als Resultat eines kombinierten Heizens und Druckbeaufschlagens in der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung geschehen. Diese Bandstärke-Reduktion geht einher mit einem Auseinanderlaufen der Einzel-Faserbänder quer zu deren Förderrichtung im Eintrittsbereich der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung, so dass sich Zwischenräume zwischen benachbarten Seitenkanten der Einzel-Faserbänder schließen, bis diese in Stoßbereichen aneinander anliegen und miteinander verschweißen können. Eine Scher- Vibrationsbeaufschlagung nach Anspruch 3 führt zu einer wirksamen homogenen Verteilung der Polymerschmelze in die gesamte Faser- Volumenstruktur des Breit-Faserbandes. Gasvolumina, die sich noch innerhalb der Einzel-Faserbänder und insbesondere im Stoßbereich benachbart aneinander anliegender Einzel-Faserbänder befinden, können hierdurch effizient ausgetrieben werden. Die Scher- Vibrationsbeaufschlagung kann mittels der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung erzeugt werden. Als Resultat der Scher- Vibrationsbeaufschlagung erfolgt ein Aufspreizen der Einzel-Faserbänder, das heißt Filamente der Einzel- Faserbänder werden gegeneinander verlagert, was eine Benetzung der Fi- lamente mit der aufgeschmolzenen Polymermatrix verbessert. Dieses Aufspreizen kann mit einer Verringerung der Bandstärke des hergestellten Breit-Faserbandes im Vergleich zur Bandstärke der Einzel-Faserbänder einhergehen. Beim Aufspreizen ist es von besonderem Vorteil, wenn die Einzel-Faserbänder in einem Bearbeitungstemperaturbereich verarbeitet werden, der, wie vorstehend bereits erläutert, in einem relativ schmalen Bereich knapp oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungspunktes des Polymers liegt.
Ein Abkühlen nach Anspruch 4 führt zu einem Breit-Faserband mit defi- nierter Stärke und mit definierten Materialparametern. Alternativ kann vor einem endgültigen Abkühlen der zum Breit-Faserband miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder auch eine drucklose Förderstrecke zurückgelegt werden. Ein Vorheizen nach Anspruch 5 ermöglicht ein schnelles Erreichen des Bearbeitungstemperaturbereichs beim Heizen im Eintrittsbereich der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung. Das Vorheizen kann längs eines geringen Förderweges erfolgen. Der gesamte Heiz-Förderweg, längs dem die Einzel-Faserbänder bis auf die Bearbeitungstemperatur aufgeheizt werden, kann im Bereich zwischen 5 mm und 100 mm liegen.
Eine Weiterverarbeitung zu einem Laminat- Schichtaufbau nach Anspruch 6 ermöglicht die Herstellung von Faserverbundbauteilen für anspruchsvolle Einsatzbereiche.
Die Vorteile einer Vorrichtung nach Anspruch 7 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits erläutert wurden. Eine Führungseinrichtung der Transporteinrichtung der Herstellungsvorrichtung vor der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung kann bei einer ersten Ausführung so gestaltet sein, dass die Einzel- Faserbänder mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Seitenkanten in die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung eingeführt werden, wobei sich diese Zwischenräume dann erst durch die kombinierte Wirkung von Heizen und Druckbeaufschlagung in der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung schließen. Bei einer alternativen Ausführung der Herstellungsvorrichtung ist die Führungseinrichtung so gestaltet, dass die Einzel-Faserbänder schon beim Einlaufen in den Eintrittsbereich so zusammengeführt sind, dass benachbarte Seitenkanten der Einzel-Faserbänder in Stoßbereichen aneinan- der anliegen.
Die beiden miteinander zusammen wirkenden Pressstempel können so ausgeführt sein, dass ein Eintrittsbereich in einen Haupt-Pressabschnitt zwi- schen den Pressstempeln sich verjüngend, beispielsweise sich konisch verjüngend, ausgeführt ist.
Als Druckeinheit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung kann neben den Varianten„Pressstempel" und„Walzenpaar" auch eine Intervallheißpresse, eine isobare Doppelband- oder Membranpresse, ein Kalander oder eine Kombination aus diesen Druckeinheiz- Varianten zum Einsatz kommen. Eine Vorheizeinheit nach Anspruch 12 kann als Widerstands-Heizeinheit, als Infrarot-Heizeinheit, als Kontakt-Heizeinheit oder als Hochfrequenz- Heizeinheit ausgeführt sein.
Die Vorteile eines Breit-Faserbandes nach Anspruch 14 und einer Mehr- Schicht- Verbundstruktur nach Anspruch 15 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das Herstellungsverfahren und die Herstellungsvorrichtung bereits erläutert wurden. Die Mehrschicht- Verbundstruktur kann insbesondere zum Aufbau eines Fahrzeug-Karosseriebauteils oder einer Fahrzeug-Rahmenkomponente zum Einsatz kommen. Derartige Verbundstrukturen sind leicht und stabil. Die Mehrschicht- Verbundstruktur kann zwei Lagen, drei Lagen, fünf Lagen oder eine noch größere Anzahl von Lagen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 perspektivisch und schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes; Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 1 im Bereich eines Eintrittsbereiches einer Heiz-Druckbeaufschlagungsein- richtung der Herstellungsvorrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt längs einer Fasertransportrichtung durch einen Ausschnitt der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung im Bereich zweier miteinander zusammenwirkender Pressstempel von dieser;
Fig. 4 perspektivisch und ebenfalls schematisch eine Alternative
Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung einer Herstellungsvorrichtung für einen Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes.
Eine Vorrichtung 1 dient zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes 2.
Die Vorrichtung hat eine Transporteinrichtung 3 zum Zuführen einer Mehrzahl von vorgefertigten Einzel-Faserbändern 4 und zum Transportieren der Einzel-Faserbänder 4 längs eines Bearbeitungsweges B. Der Vorrichtung 1 werden beim in der Figur 1 dargestellten Beispiel sechs Einzel- Faserbänder 4 zugeführt. Auch eine sehr viel größere Anzahl von Einzel- Faserbändern 4 kann der Vorrichtung 1 zugeführt werden, beispielsweise 30 der Einzel-Faserbänder 4. Zur Erleichterung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Eine Transportrichtung x verläuft in der Figur 1 nach rechts. Eine z- ichtung verläuft senkrecht zu einer xy-Bandebene des Breit-Faserbandes 2 und der Einzel-Faserbänder 4. Die Einzel-Faserbänder 4 haben in der y-Richtung eine Breite von etwa 60 mm. Als Fasermaterial für das Roh-Faserband 4 kann Glasfaser, Kohlefaser, Aramid, Basalt, Polyester oder Naturfaser zum Einsatz kommen. Die Fasern können zu Rovings bzw. zu Fasergarnen zusammengefasst sein. Bei den Rovings kann es sich um endlose Multi-Filamente ohne Drall handeln. Die Rovings der Einzel-Faserbänder 4 können mit einem Schlichtmittel, der sogenannten Schlichte, behandelt sein. Das Fasermaterial ist in eine Matrix eines Imprägnier-Polymers eingebettet. Als Imprägnier-Polymer kann ein Thermoplast zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), andere Polyo- lefme sowie Blends dieser Polyolefme, SAN (Styrol/Acrylnitril), PA (Polyamid), zum Beispiel PA 6, PA 6.6, PA 6.6T, PA 12, PA 6.10, ASA (Ac- rylnitril/Styrol/Acrylester), PC (Polycarbonat), PBT (Polybutylenterephtha- lat), PET (Polyethylentrephthalat), Polymerblends, zum Beispiel PC/PBT, PPS (Polyphenylensulfid), PSU (Polysulfon), PES (Polyethersulfon), PEEK (Polyetheretherketon). Als Imprägnier-Polymer kann auch ein Duroplast zum Einsatz kommen, welches als Schmelze im B-Stadium (Resi- toi) aufgetragen werden kann.
Die Transporteinrichtung 3 ist in der Figur 1 schematisch als Walzenpaar mit Abzugswalzen 5,6 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eingangseitig der Vorrichtung 1 , also im Bereich eines Förder- bzw. Bear- beitungsweges B der Einzel-Faserbänder 4 eine Fördereinheit der Transporteinrichtung 3 vorgesehen sein.
Die Vorrichtung 1 hat eine Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7, die von einem Maschinengestell 8 getragen wird. In der Heiz-Druckbeauf- schlagungseinrichtung 7 werden die Einzel-Faserbänder 4 zusammengeführt. In einem Eintrittsbereich 9, der in der Figur 2 vergrößert dargestellt ist, werden die Einzel-Faserbänder 4 nebeneinander in die Heiz-Druck- beaufschlagungseinrichtung 7 so gefördert, dass einander zugewandte, be- nachbarte Seitenkanten 1 Oa der zusammengeführten Einzel-Faserbänder 4, die zunächst von einander beabstandet sind, in Stoßbereichen aneinander anliegen.
Die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 hat zwei miteinander zu- sammenwirkende Pressstempel, nämlich einen unteren Pressstempel 10 und einen oberen Pressstempel 1 1. Beide Pressstempel 10, 1 1 sind konvex ausgeführt, was in der xz-Schnittdarstellung nach Figur 3 deutlich wird. Der Schnitt nach Figur 3 ist durch ein von links einlaufendes Einzel- Faserband 4 geführt. Dieses hat eine Stärke senkrecht zur Bandebene von 0,35 - 0,4 mm. Im Eintrittsbereich 9 verengt sich ein Abstand der beiden Pressstempel 10, 1 1 zueinander bis auf einen Minimalabstand in einer Hauptpressebene 12, der 0,2 mm beträgt.
Zur besseren Anschaulichkeit sind die beiden Pressstempel 10, 1 1 in den Figuren 1 und 2 nicht in einer Pressstellung, sondern mit weit in z- ichtung voneinander beabstandeten Stempeln 10, 1 1 gezeigt. Eine Pressstellung der Pressstempel 10, 1 1 ist in der Figur 3 dargestellt.
Auch Ausführungen der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 sind möglich, bei denen nur einer der beiden Pressstempel 10, 1 1 konvex und der andere beispielsweise mit ebener Pressfläche ausgeführt ist. Auch Kon- vex/Konkav-Gestaltungen der Pressstempel 10, 1 1 sind möglich, wobei ein Krümmungsradius des konvexen Pressstempels kleiner ist als ein Krümmungsradius des konkaven Pressstempels. Die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 hat im Eintrittsbereich 9 eine Heizeinheit 13 zum Heizen der nebeneinander geförderten Einzel- Faserbänder 4 auf eine Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes des Polymers, wobei das Heizen über eine gesamte Breite der Einzel- Faserbänder 4 quer zu deren Förderrichtung erfolgt. Die Heizeinheit 13 ist in die beiden Pressstempel 10, 1 1 integriert. Die Heiz-Druckbeauf- schlagungseinrichtung 7 kann nach Art einer Intervallheißpresse ausgeführt sein. Die Heizeinheiten 13 können durch Widerstands-Heizelemente ausge- führt sein. Aufgrund der Wirkung der Heizeinheit 13 sind die beiden Pressstempel 10, 1 1 im Eingangsbereich 9 auf einer Temperatur oberhalb des Polymer-Schmelzpunktes der Einzel-Faserbänder 4 und geben Wärme über die gesamte Breite der Pressstempel 10, 1 1 auf die Einzel-Faserbänder ab. Die Polymermatrix wird dabei über die gesamte Breite der Einzel- Faserbänder 4 aufgeschmolzen.
Die Pressstempel 10, 1 1 stellen eine Druckeinheit zum Aufbringen eines Drucks auf die nebeneinander geförderten, aufgeheizten Einzel- Faserbänder 4 mit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 dar.
Die Heizeinheiten 13 der Pressstempel 10, 1 1 sind so ausgeführt, dass diese im gesamten Eintrittsbereich 9 der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7, also bis zur Hauptpressebene 12 beheizt werden. Ab der Hauptpressebene 12 sind die Pressstempel 10, 1 1 längs des weiteren Bearbeitungsweges B nicht weiter beheizt, so dass die Temperatur zwischen den Pressstempeln 10, 1 1 wieder abnimmt. Die Presszone im Bearbeitungsweg nach der Hauptpressebene 12 stellt gleichzeitig eine Abkühlzone für das in diesem Bereich vorliegende Breit-Faserband 2 dar. Die aufgeheizten und miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder 4 werden also noch während der Druckbeaufschlagung mit der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 unter eine Temperatur-Untergrenze des Bearbeitungsbereichs abgekühlt, so dass die Polymermatrix wieder 5 erstarrt.
Die Heizeinheiten 13 längs des Eintrittsbereichs 9 stellen gleichzeitig eine Temperiereinheit zum Halten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder 4 in einem Bearbeitungstemperaturbereich oberhalb des Polymeri e) Schmelzpunktes dar, bis die Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel- Faserbänder 4 miteinander verschweißen. Die Heizeinheiten 13 (vergleiche Figur 3) können in nicht näher dargestellter Weise mit Temperatursensoren 14 zusammenwirken, die in geringem Abstand zu den Pressflächen der Pressstempel 10, 1 1 in diesen angeordnet sind und eine Temperatur in einer 15 Presszone im Eintrittsbereich 9 messen. Die Temperatursensoren 14 und die Heizeinheiten 13 stehen hierzu mit einer Steuer/Regeleinheit 15 in Signalverbindung, die ebenfalls Teil der Temperiereinheit ist.
Die Bearbeitungstemperatur liegt im Bereich von wenigen 100 °C, bei- 0 spielsweise im Bereich von 250 °C. Eine Temperatur des Roh-Faserbandes 4 von 380 °C wird nicht überschritten. Bei bestimmten, besonders temperaturbeständigen Materialien kann auch eine höhere Heiztemperatur zum Einsatz kommen, beispielsweise 400 °C. Auch noch höhere Heiztemperaturen für das Roh-Faserband 4 sind möglich.
5
Zusätzlich zu den Heizeinheiten 13 hat die Heiz-Druckbeaufschlagungs- einrichtung 7 noch eine Vorheizeinheit 16 zum Vorheizen der Einzel- Faserbänder 4 vor dem Zusammenführen der Einzel-Faserbänder 4 im Eintrittsbereich 9 der Heiz-Druckaufschlagungseinrichtung 7. Die Vorheizein- heit 16 ist den beiden Pressstempel 10, 1 1 im Bearbeitungsweg B der Vorrichtung 1 vorgeordnet. Die Vorheizeinrichtung 16 dient gleichzeitig einer Führung der Einzel-Faserbänder 4 in den Eintrittsbereich 9. Die Vorheizeinheit 16 und/oder die Heizeinheiten 13 können als Infrarot-, Kontakt- oder Hochfrequenz-Heizeinheiten ausgeführt sein.
Den Pressstempeln 10, 1 1 im Bearbeitungsweg B nachgeordnet ist eine Abkühleinheit 17 in Form einer Kühlpresse zum Abkühlen der zum Breit- Faserband 2 miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder 4. Abkühl- Pressstempel 18, 19 können über ein Wärmeträgermedium, beispielsweise über Kühlwasser, gekühlt sein, welches über Fluidkanäle geführt wird, die durch die Abkühl-Pressstempel 18, 19 verlaufen. Der Transporteinrichtung 3 im Bearbeitungsweg B nachgeordnet kann eine Lege- und Laminiervorrichtung 20 sein, über die aus einer Mehrzahl der hergestellten Breit-Faserbänder 2 ein Laminat-Schichtaufbau hergestellt wird. Hierzu wird das Breit-Faserband 2 konfektioniert, gegebenenfalls schichtweise unterschiedlich ausgerichtet und die Schichten aus dem Breit- Faserband 2 werden dann miteinander verbunden.
Zusätzlich kann die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 7 eine Scher- Vibrationsbeaufschlagungseinheit aufweisen, mit der auf die zusammengeführten Einzel-Faserbänder eine Seher-Kraft längs der y- ichtung, also senkrecht sowohl zur Band-Normalen als auch zur Förderrichtung, auf die Einzel-Faserbänder 4 ausgeübt wird. Hierzu kann der untere Pressstempel 10 und/oder der obere Pressstempel 1 1 mit einer Vibrationseinrichtung 21 verbunden sein, die in der Figur 1 ebenfalls schematisch dargestellt ist. Die Richtung einer Vibrationsbeaufschlagung V durch die Vibrationseinrichtung 21 ist in der Figur 1 durch einen Doppelpfeil verdeutlicht.
Die Druckbeaufschlagung durch die Heiz-Druckbeaufschlagungs- einrichtung 7 und/oder die Scher- Vibrationsbeaufschlagung über die Vibrationseinheit 21 erzeugen ein Aufspreizen der Einzel-Faserbänder 4, das heißt Filamente der Einzel-Faserbänder 4 werden gegeneinander verlagert, was zu einer Verbesserung eines Benetzens der Filamente mit der Polymermatrix insbesondere im Stoßbereich der aneinander angrenzenden Sei- tenkanten 10a der zusammengeführten Einzel-Faserbänder 4 führt. Mit dem Aufspreizen der Einzel-Faserbänder einher geht eine Verringerung der Bandstärke, also eine Verringerung der z-Dimension des Faserbandes.
Bei der Herstellung des Breit-Faserbandes 2 werden die Einzel- Faserbänder 4 in der Vorheizeinheit 16 zunächst auf einer sehr kurzen Strecke längs des Bearbeitungsweges B, beispielsweise in einem Wegbereich zwischen 5 mm und 100 mm, auf eine Bearbeitungstemperatur oberhalb eines Schmelz- bzw. Erweichungspunktes des Polymers erwärmt. Die Transporteinrichtung 3 sorgt für eine Transportgeschwindigkeit der Faserbänder im Bereich zwischen 50 m/h und 200 m/h.
Die aufgeschmolzenen Einzel-Faserbänder 4 laufen anschließend in den Eintrittsbereich 9 ein, wobei durch die Druckbeaufschlagung über die Pressstempel 10, 1 1 die Einzel-Faserbänder 4 in der y-Dimension auseinanderlaufen, sich also verbreitern, und in der z-Dimension komprimiert werden. Mit diesem Auseinanderlaufen der Einzel-Faserbänder 4 geht eine Verringerung des Abstandes zwischen den Seitenkanten 10a benachbarter Einzel-Faserbänder 4 einher. Dies geschieht so lange bis die Einzel- Faserbänder 4 über ihre benachbarten Seitenkanten aneinander anliegen, wobei dann die Einzel-Faserbänder, die immer noch in einem Temperaturbereich oberhalb des Polymer-Schmelzpunktes vorliegen, miteinander verschweißen. Aufgrund der Tatsache, dass die Einzel-Faserbänder 4 durch die Heizeinheiten 13 über ihre gesamte Breite im Eintrittsbereich 9 oberhalb des Polymer-Schmelzpunktes gehalten werden, erfolgt beim Verschweißen der Einzel-Faserbänder 4 eine praktisch vollständige Homogenisierung des Faser-/Matrix- Verbundes über die gesamte Breite des dann entstehenden Breit-Faserbandes 2. Beim Verschweißen der Einzel- Faserbänder 4 im Eintrittsbereich 9 findet eine Entlüftung entgegen der Förderrichtung der Einzel-Faserbänder 4 statt.
Die Herstellung erfolgt so, dass eine Bandstärke des hergestellten Breit- Faserbandes 2 geringer ist als eine Bandstärke der Einzel-Faserbänder 4.
Während der Druckbeaufschlagung kann gleichzeitig eine Scher- Vibrationsbeaufschlagung über die Vibrationseinheit 21 erfolgen, was, wie schon erwähnt, eine Verbesserung des Benetzens der Filamente innerhalb der Faserbänder herbeiführt. Nach der Hauptpressebene 12 wird das zu- nächst noch geschmolzene vorliegende Breit-Faserband 2 definiert unter den Polymer- Schmelzpunkt abgekühlt.
Figur 4 zeigt eine alternative Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung 22. Diese umfasst ein erstes Heiz- Walzpaar 23 mit Heizwalzen 24, 25 und ein im Bearbeitungsweg B nachgeordnetes Kühl- Walzenpaar 26 mit Kühlwalzen 27, 28. Die Funktion des Heiz- Walzenpaar 23 entspricht der Funktion der Pressstempel 10, 1 1 im Eintrittsbereich 9. Die Funktion der Kühlwalzen 27, 28 entspricht der Funktion der Pressstempel 10, 1 1 nach der Hauptpressebene 12 bzw. der Funktion der Abkühleinheit 17. Die zwischen die Heizwalzen 24, 25 einlaufenden Einzel-Faserbänder 4 werden dort aufgeschmolzen und aufgespreizt, zusammengeführt bis benachbarte Seitenkanten der Einzel-Faserbänder in den Stoßbereichen aneinander anliegen und miteinander verschmolzen. Nach Durchlaufen der Heiz- Walzenpaares 23 liegt das zunächst noch aufgeschmolzene Breit-Faserband 2 vor, das dann beim Durchlaufen durch das Kühl- Walzenpaar 26 definiert auf eine Temperatur unterhalb des Polymer-Schmelzpunktes gebracht wird.
Alternativ kann für die Druckeinheit der Heiz-Druckbeaufschlagungs- einrichtung 7 bzw. 22 eine Doppelwand- oder Membranpresse, ein Kalander oder eine Kombination entsprechender Druckvorrichtungen zum Einsatz kommen.
Das Herstellungsverfahren kann für amorphe sowie für teilkristalline Thermoplast-Polymerwerkstoffe sowie deren Blends und Compounds eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form
mindestens eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes (2) mit folgenden Schritten:
Bereitstellung einer Mehrzahl von vorgefertigten Einzel- Faserbänder (4), die jeweils eine mit dem Polymer imprägnierte Filament-Struktur aufweisen,
Zusammenführen der Einzel-Faserbänder (4) in einer Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22), wobei die Einzel-
Faserbänder (4) in einem Eintrittsbereich (9) in die Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22) nebeneinander so gefördert werden, dass benachbarte Seitenkanten (10a) der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) in Stoßbereichen aneinander an- liegen,
Heizen der nebeneinander geförderten Einzel-Faserbänder (4) mit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22) auf eine Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes des Polymers, wobei das Heizen über eine gesamte Breite der Einzel-Faserbänder (4) quer (y) zu deren Förderrichtung (x) erfolgt,
Aufbringen eines Drucks auf die nebeneinander geförderten, aufgeheizten Einzel-Faserbänder (4) mit der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22),
Halten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) in einem Bearbeitungstemperaturbereich oberhalb des Polymer-
Schmelzpunktes, bis die Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) miteinander verschweißt sind,
Abkühlen der zum Breit-Faserband (2) miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung so erfolgt, dass eine Bandstärke des hergestellten Breit- Faserbandes (2) geringer ist als die Bandstärke der Einzel-Faserbänder (4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizens eine Scher- Vibrationsbeaufschlagung auf die zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) mit der Heiz-Druckbeauf- Schlagungseinrichtung (7; 22) aufgebracht wird, wobei eine Scherkraft längs einer Scherkraft-Beaufschlagungseinrichtung (y) auf die Einzel- Faserbänder (4) ausgeübt wird, die senkrecht auf einer Förderrichtung (x) und senkrecht auf einer Band-Normalen (z) steht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten und miteinander verschweißten Einzel- Faserbänder (4) noch während der Druckbeaufschlagung mit der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22) unter eine Temperatur- Untergrenze des Temperaturbearbeitungsbereichs abgekühlt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Vorheizen der Einzel-Faserbänder (4) vor dem Zusammenführen in den Eintrittsbereich (9) der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Abschnitten des hergestellten Breit- Faserbandes (2) zu einem Laminat- Schichtaufbau weiterverarbeitet wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem Polymer imprägnierten Breit-Faserbandes (2) mit einer Transporteinrichtung (3) zum Zuführen einer Mehrzahl von vorgefertigten Einzel-Faserbänders (4) und zum Transportieren der Einzel-Faserbänder (4) längs eines Bearbeitungsweges (B), mit einer Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22), in der die Einzel-Faserbänder (4) zusammengeführt werden, wobei die Einzel-Faserbänder (4) in einem Eintrittsbereich (9) in die Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22) nebeneinander so gefördert werden, dass benachbarte Seitenkanten (10a) der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) in Stoßbereichen aneinander anliegen,
mit mindestens einer Heizeinheit (13) zum Heizen der nebeneinander geförderten Einzel-Faserbänder (4) mit der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22) auf eine Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes des Polymers, wobei das Heizen über eine gesamte Breite der Einzel-Faserbänder (4) quer (y) zu deren Förderrichtung (x) erfolgt,
mit einer Druckeinheit (10, 1 1 ; 23) zum Aufbringen eines Drucks auf die nebeneinander geförderten, aufgeheizten Einzel- Faserbänder (4) mit der Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7; 22),
mit einer Temperiereinheit (13) zum Halten der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) in einem Bearbeitungstemperaturbereich oberhalb des Polymer-Schmelzpunktes, bis die Stoßbereiche der zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) miteinander verschweißen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Abkühleinheit (17; 26) zum Abkühlen der zum Breit-Faserband (2) miteinander verschweißten Einzel-Faserbänder (4).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Druckaufschlagungseinrichtung (7) eine Scher- Vibrations- beaufschlagungseinheit (21) aufweist, mit der auf die zusammengeführten Einzel-Faserbänder (4) eine Scherkraft ausgeübt wird, die senkrecht auf einer Förderrichtung (x) und senkrecht auf einer Band- Normalen (z) steht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (7) zwei miteinander zusammenwirkende Pressstempel (10, 1 1) aufweist, von denen insbesondere mindestens einer konvex ausgeführt ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Druckbeaufschlagungseinrichtung (22) mindestens ein Walzenpaar (23, 26) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1, gekennzeichnet
durch eine Vorheizeinheit (16) zum Vorheizen der Einzel-Faserbänder (4) vor dem Zusammenführen in den Eintrittsbereich (9) der Heiz- Druckbeaufschlagungseinrichtung (7).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet
durch eine Lege- und Laminiervorrichtung (20) zur Herstellung eines Laminat-Schichtaufbaus aus einer Mehrzahl von Abschnitten der hergestellten Breit-Faserbänder (2)
14. Breit-Faserband, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
15. Mehrschicht- Verbundstruktur mit mindestens zwei Lagen, die als Abschnitte des Breit-Faserbandes nach Anspruch 14 gestaltet sind.
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