DE4442858A1

DE4442858A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sandwich-Formkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Material

Info

Publication number: DE4442858A1
Application number: DE19944442858
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Meij
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-05

Description

Glasmattenverstärkte Thermoplaste (G MT) werden aufgrund ihrer guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften, leichten Verarbeitbarkeit und günstigen Preis-Leistungsverhältnisse vermehrt als Werkstoff für leicht- bis mittelschwer beanspruchte Formkörper u. a. aus dem Automobilbau und der Elektrotechnik eingesetzt. Bei der Formkörperherstellung wird ein faserverstärktes thermoplastisches Material, mit einem Faseranteil zwischen 20-40 Gew.-% und einer Faserlänge größer als 10 mm, über den Erweichungspunkt des Thermoplasten erwärmt und anschließend in ein Werkzeug, dessen Temperatur unter dem Einfrierungspunkt des Thermoplasten liegt, transferiert, verpreßt, gekühlt und anschließend, nachdem der abgekühlte Formkörper dazu eine ausreichende Steifigkeit besitzt, dem Werkzeug entnommen. Für die Formkörperherstellung wird in der Regel zunächst ein Halbzeug hergestellt, das den entsprechenden Anteil und die erforderliche Verteilung der Halbzeugkomponenten aufweist. Zur Zeit werden mehrere Halbzeugtypen in der Praxis eingesetzt, die alle üblicherweise die Bezeichnung GMT tragen, sich in Aufbau, Herstellung und Eigenschaften jedoch unterscheiden (Derek H., "Verarbeitungsverhalten von GMT - Prüfung und Qualitätssicherung", Tagungsband 25. Int. AVK-Tagung, Berlin, 1993). Für die Halbzeugherstellung werden Glasfaserbündel oder -rovings verwendet, die länger als 10 mm sind. Einige Halbzeuge enthalten neben dem Thermoplasten regellos angeordnete Faserrovings oder -bündel, gezielt ausgerichtete Faserrovings oder -bündel oder eine Kombination dergleichen, die durch einen Vernadelungsprozeß mechanisch miteinander verbunden sein können. Andere Halbzeuge (Kurzfaser-GMT) werden in einem Verfahren hergestellt, das der Papierherstellung ähnlich ist, beispielsweise durch Einmischung von geschnittenen Fasern mit einer Länge von 10-100 mm und Thermoplastpartikeln oder -pulver in einem Schaum oder Flüssigkeit und anschließende flächige Ablagerung, Trocknung und Kompaktierung. Wieder andere Halbzeuge, beispielsweise in Form länglichen Granulats oder länglicher Stäbchen, mit einer Durchschnittslänge zwischen 10-100 mm, bestehen aus einem Thermoplast sowie Glasfaserrovings oder -bündeln der gleichen Länge, die nach Plastifizierung in einem Ofen oder sonstigem Plastifiziergerät in einem Preßwerkzeug eingegeben und verpreßt werden. Weitere Halbzeuge bestehen aus mittels Wirbelluft trocken gemischten Glasfasern und Thermoplastpulver, die direkt in das Preßwerkzeug geblasen werden und durch einen erzeugten Unterdruck an der perforierten Werkzeugwand hängen bleiben, bis das Preßwerkzeug zur Konsolidierung des faserverstärkten Materials geschlossen wird. Ferner gibt es Halbzeuge auf der Basis einer Fasermatte, die im Krempelverfahren hergestellt werden. Diese und ähnliche Halbzeugarten werden alle üblicherweise unter dem Namen Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) zusammengefaßt, bei der die wesentlichen Elementen sind, daß ein thermoplastisches Material mit 20-40 Gew.-% Glasfasern mit einer Länge größer als 10 mm verstärkt ist und außerdem ein wesentlicher Anteil der Glasfasern regellos angeordnet ist.

Die Wanddicke von GMT-Formteilen wird im Hinblick auf den sparsamen Umgang mit diesem Leichtbauwerkstoff sowie die Verkürzung der Zykluszeit in der Regel minimiert. Die sich daraus ergebende Reduzierung des Trägheitsmomentes kann bisher nur durch z. B. Rippen und Sicken wettgemacht werden. Diese verursachen eine Zunahme der Einbauhöhe des Formkörpers, die nicht selten zu Problemen in der Gesamtkonstruktion führt.

In DE-OS-37 41 539 wird ein Verfahren beschrieben, womit die Wanddicke von Formteilen aus einem Verbundwerkstoff zumindest in Teilbereichen um mindestens 10% zunimmt. Das Verfahren ist in der beschriebenen Form jedoch nicht für fließfähige Werkstoffe geeignet. Mit dem beschriebenen Verfahren ist es außerdem ohne den Einsatz von separaten Deckschichten nicht möglich, geschlossene Formteiloberflächen zu erzeugen. Weiterhin ist es mit dem beschriebenen Verfahren nicht möglich, den Materialanteil von Kern und Deckschicht über den Prozeß zu steuern.

Das angemeldete Verfahren beinhaltet eine Steigerung des Formkörperträgheitsmomentes durch Anwendung einer Sandwich-Bauweise. Die so über das Bauteil zumindest in Teilbereichen flächig verteilte Zunahme des Trägheitsmomentes erlaubt bei vergleichbaren Eigenschaften eine flachere Bauweise als mit diskreten Rippen und Sicken. Außerdem kann die Sandwich- Bauweise Vorteile bei der Wärme- und Schalldämmung bieten.

Das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Nutzung der Rückstellkraft der deformierten, regellos angeordneten Fasern des unter dem Preßdruck komprimierten und mit Thermoplast imprägnierten Glasfasergebildes.

Zur Herstellung der Sandwich-Formkörper wird über den Erweichungspunkt aufgewärmtes, faserverstärktes thermoplastisches Material in ein Preßwerkzeug eingegeben, das anschließend unmittelbar geschlossen wird. Durch Abkühlung des faserverstärkten thermoplastischen Materials an der Werkzeugwand wird die Außenschicht des Materials eingefroren. Nachdem eine dünne, geschlossene Oberflächenschicht unter den Erweichungspunkt des Thermoplasten abgekühlt und damit eingefroren ist, wird nach dem hier angemeldeten Verfahren das Preßwerkzeug entlastet oder von der Presse leicht geöffnet. Die Rückstellkraft des verformten Glasfasergebildes im noch schmelzeflüssigen Kern bewirkt ein Aufblähen des Formkörpers zu einem Sandwich-Bauteil mit einer geschlossenen Außenhaut und einem mit Hohlräumen gefüllten Kern. Von dem Aufblähen der noch schmelzeflüssigen Kerne sind primär die Formkörperflächen betroffen, die senkrecht zur Werkzeugschließbewegung orientiert sind. Dies macht das hier beschriebene Verfahren besonders attraktiv für relativ flache Formkörper, wie beispielsweise Deckel, Geräuschabschirmungen und Motorkapsel.

Die unterschiedliche Herstellung und Art des verstärkenden Fasergebildes im Thermoplast bedingt ein unterschiedliches Aufblähverhalten der einzelnen faserverstärkten Thermoplaste. So wird die Wanddicke einer thermoplastischen Platte - mit darin enthalten eine vernadelte Fasermatte mit einem hohen Anteil an Fasern in Dickenrichtung - bei Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens durch die Behinderung von in den beiden Schichten eingefrorenen Fasern nur geringfügig zunehmen. Ein anderes faserverstärktes thermoplastisches Material, beispielsweise das, welches in einem Verfahren ähnlich der Papierherstellung hergestellt wurde, weist nur einen geringen Anteil der regellos verteilten Verstärkungsfasern in der Dickenrichtung der Halbzeugplatte auf. Durch Aufblähen ohne Druck kann das Halbzeug eine Dicke, die mehr als das Dreifache der Halbzeugdicke in kompaktierter Form beträgt, aufweisen. Die Dicke der Deckschichten der nach dem angemeldeten Verfahren Sandwich-Formkörper richtet sich nach den Prozeßbedingungen während der Preßphase und der anschließenden Entlastungsphase.

Beispiele

In einem Tauchkantenwerkzeug mit einer flachen Kavität von 400 × 400 mm, das auf einer geregelten servohydraulischen Presse aufgespannt war, wurden GMT- Zuschnitte nach herkömmlichen und hier angemeldeten Verfahren verpreßt und bewertet. Die Werkzeugtemperatur betrug 70°C. Als Halbzeug wurde einmal ein Kurzfaser-GMT mit 40 Gew.-% Glasanteil verwendet, daß in einem Verfahren ähnlich der Papierherstellung produziert wurde (Material A). Die Faserlänge beträgt vor der Halbzeugherstellung 30-60 mm. Durch Faserbrüche während der Halbzeugherstellung kann es teilweise zu einer Verkürzung der Fasern kommen, aber eine schonende Verarbeitung gewährleistet in jedem Fall eine Durchschnittslänge im Halbzeug von mehr als 10 mm. Als Alternative dazu wurde ein GMT-Material verarbeitet, das auf vernadelten Glasfasermatten basiert (Material B). Der Glasfasergehalt betrug in diesem Fall 20 Gew.-%. Die Glasfasern liegen in Endlosrovingform vernadelt im Halbzeug. Durch die Vernadelung kann es zu Faserbrüchen kommen, was aber den Endloscharakter der Rovingbündel nicht maßgeblich antastet. Die Halbzeugzuschnitte wurden in einem Umluftofen auf 220°C vorgewärmt.

Das herkömmliche Verarbeitungsprogramm ¢1 lautet:
Schließgeschwindigkeit ab Materialkontakt: 5 mm/s;
Umschaltkraft 6300 kN;
Aufbau Preßkraft 6500 kN in 0,2 s;
Haltezeit 20 s;
Entlasten, Öffnen und Formkörper entnehmen.

Ein für das angemeldete Verfahren modifiziertes Verarbeitungsprogramm ¢2 lautet:
Schließgeschwindigkeit ab Materialkontakt 5 mm/s;
Umschaltkraft 6300 kN;
Preßkraft von 6300 kN 2 s halten;
Abbau Preßkraft in 0,5 s;
Anheben des Stößels um 4 mm
Haltezeit 100 s;
Entlasten, Öffnen und Formkörper entnehmen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers ausgehend von einem faserverstärkten thermoplastischen Material mit Faseranteil zwischen 20-40 Gew.-% in beliebiger, insbesondere regelloser Anordnung und Faserlänge größer als 10 mm, dadurch gekennzeichnet,
daß über den Erweichungspunkt des Thermoplasten vorgeheiztes Material in ein Werkzeug, dessen Temperatur unter dem Einfrierpunktpunkt des faserverstärkten Materials liegt, eingegeben, verpreßt und solange unter Druck gehalten wird bis eine dünne Schicht des faserverstärkten Materials an der Werkzeugwand erstarrt ist, und
daß anschließend die Werkzeugschließkraft abgebaut wird und die Rückstellkraft der deformierten Fasern ein Aufbauschen des noch schmelzeflüssigen Kerns bewirkt und der Kern des Formkörpers nachher Hohlräume aufweist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil 15-80 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug von der Schließeinheit nach dem Erstarren einer Hautschicht des Formkörpers geöffnet wird und die Formteildicke zumindest in Teilbereichen um mindestens 5% zunimmt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im thermoplastischen Material überwiegend in Rovingform oder Faserbündelform vorliegen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im thermoplastischen Material überwiegend in Rovingform oder Faserbündelform vorliegen und vernadelt sind.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im thermoplastischen Material überwiegend als Einzelfilamente vorliegen.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im thermoplastischen Material einen Anteil von 10 bis 50 Gew.-% an gezielt ausgerichteten Fasern enthält.

8. Formkörper bestehend aus einem faserverstärkten thermoplastischen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 1 hergestellt wurde.

9. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem faserverstärkten thermoplastischen Material besteht, einen Faseranteil von 20-40 Gew.-%, eine Faserlänge von mehr als 10 mm und eine beliebige, insbesondere regellose Anordnung der Fasern aufweist, wobei die Außenhaut eine geschlossene Oberfläche bildet und der Kern durch Aufblähen entstandene Hohlräume aufweist.

10. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil 15-80 Gew.-% beträgt.

11. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material ein faserverstärkter Thermoplast aus der Gruppe Polyester, Polyamid, Polyethylen, Polyurethan, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Polyetherketon, Polyethylenterephthalat, Acryl-Butadien-Styrol, Polyphenylensulfid, Polypropylen oder Polystyrol eingesetzt wird.

12. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material ein faserverstärktes thermoplastisches Mischpolymer eingesetzt wird.

13. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die faserförmige Verstärkung des thermoplastischen Materials aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Metall, Flachs, Jute oder einem Hybrid aus diesen Fasern besteht.

14. Formkörper gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das faserverstärkte thermoplastische Material auch Hohlräume ent hält, die durch darin angebrachte und/oder darin freigesetzte Gase ent standen sind.