DOMAGALSKI, Peter (Schulstr. 7, Westendorf, 86707, DE)
KIENZLE, Andreas (Mühlstrasse 11, Mottingen OT Balgheim, 86753, DE)
DAMJANOVIC, Tanja (Stettiner Ring 34, Meitingen, 86405, DE)
REITER, Birgit (Rhönstr. 3, Regensburg, 93057, DE)
DOMAGALSKI, Peter (Schulstr. 7, Westendorf, 86707, DE)
KIENZLE, Andreas (Mühlstrasse 11, Mottingen OT Balgheim, 86753, DE)
DAMJANOVIC, Tanja (Stettiner Ring 34, Meitingen, 86405, DE)
| Ansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstrukturen (1 ), welches die folgenden Schritte umfasst: - Imprägnieren einer Faserstruktur (2) mit einem Polymermaterial (3); - Behandeln der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie in die imprägnierte Faserstruktur (2) zum Schmelzen und/oder zum Vernetzen des Polymermaterials (3). 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vordem Schritt des Behandeins der imprägnierten Faserstruktur (2) mit Mikrowellenenergie die imprägnierte Faserstruktur (2) durch ein Tiefstrangziehen (Pultrusion), Kalandern, Laminieren, insbesondere Bandlaminieren, Pressen, insbesondere Bandpressen, oder Innenhochdruckumformen vorgeformt wird. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts des Behandeins der imprägnierten Faserstruktur (2) mit Mikro- wellenenergie gleichzeitig die imprägnierte Faserstruktur (2) durch ein Tiefstrangziehen (Pultrusion), Kalandern, Laminieren, insbesondere Bandlaminieren, Pressen, insbesondere Bandpressen, oder Innenhochdruckumformen umgeformt wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch die folgenden Schritte aufweist: - Einlegen von zumindest zwei imprägnierten Faserstrukturen (2) in ein Werkzeug (65); und - Fügen der zumindest zwei imprägnierten Faserstrukturen (2) während des Behan- delns der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen durch Einsatz eines Haftvermittlers oder Klebstoffs unterstützt wird. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch die folgenden Schritte aufweist: - Einfügen eines Kernes in die Faserstruktur (2) bzw. zwischen die Faserstrukturen (2) zur Ausbildung von Hohlräumen in den Faserverbundstrukturen (1); und - Entfernen des Kernes während oder nach dem Behandeln der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie (10). 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie temperaturgesteuert erfolgt. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie leistungsgesteuert ist. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur (2) durch Einbringen von Mikrowellenenergie zwischen 1 min und 60 min dauert. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pressen weggesteuert oder druckgesteuert erfolgt. 11. Faserverbundstruktur (1 ) erhältlich durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 12. Faserverbundstruktur nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das zum Imprägnieren vorgesehene Polymermaterial (3) ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Harz ist. 13. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Imprägnieren vorgesehene Polymermaterial (3) ein organisches und/oder anorganisches Harz ist. 14. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (2) Faserrovinge, Kurzschnittfasern, Faserbündel oder textiles Halbzeug wie Gewebe, Gelege, Geflecht oder Gewirke umfasst. 15. Faserverbundstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (2) vorbehandelte Faserbündel, insbesondere temperaturvorbe- handelte Faserbündel umfasst. 16. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (2) mechanisch vorbehandelte Faserbündel, insbesondere mechanisch vorgemischte Faserbündel umfasst. 17. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (2) Faserbündel einer definierten, im Wesentlichen gleichmäßigen Größe umfasst. 18. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (2) eine Anzahl an verschieden langen Fasern umfasst, insbesondere die Fasern aufeinander angeordnet sind und bevorzugt unterschiedliche Orientierungen der Fasererstreckungsrichtungen aufweisen. 19. Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) ein Bauteil eines Fahrzeugs, insbesondere eine Bremsscheibe ist. 20. Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (60) wenigstens eine, bevorzugt mindestens zwei Mikrowellenstrah- lungsquellen (70) aufweist. 21. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Mikrowellenstrahlungsquelle (70) an einem Werkzeug (65) zur Formgebung, insbesondere auf unterschiedlichen Seiten des Werkzeugs (65) angeordnet ist. 22. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Mikrowellenstrahlungsquellen (70) an dem Werkzeug (65) symmetrisch zur behandelnden Faserverbundstruktur (1) angeordnet ist. 23. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der An- Sprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Mikrowellenstrahlungsquelle (70) an dem Werkzeug (65) zur Formgebung an einem im Wesentlichen mikrowellendurchlässigen Bereich (66) des Werkzeugs (65) angeordnet sind, welcher insbesondere eine Keramik, bevorzugt AI2O3, eine Granitstruktur, einen Kunststoff, und/oder eine Calciumcarbonatstruktur aufweist. 24. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der wenigstens einen Mikrowellenstrahlungsquelle (70) zwischen 1 und 300 kW beträgt. 25. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkzeug (65) wenigstens ein Temperaturfühler angeordnet ist. 26. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (65) wenigstens bereichsweise temperaturisoliert ausgebildet ist. 27. Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (65) und die Mikrowellenstrahlungsquellen (70) so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Faserverbundstruktur (1) bei Betrieb der wenigstens einen Mirkowellenstrahlungsquelle (70) eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung ausgebildet wird. |
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstrukturen, derartige Faserverbundstrukturen sowie eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Faserverbundstrukturen.
Faserverbundstrukturen werden häufig wegen ihres Leichtbaupotentials in der Luftfahrt, im Rennsport, im Energiebereich, im Schiffsbau und im Automobilbereich eingesetzt. Zur Herstellung von solchen Faserverbundstrukturen werden typischerweise verschiedene Herstellungsverfahren wie Autoklavverfahren oder RTM-Verfahren ein- gesetzt, bei welchen eine Imprägnierung einer Faserstruktur mit Polymermaterial und/oder Harz und ein Aushärten erfolgt. Das Aushärten findet hierbei meist in geeigneten Werkzeugen statt. Nachteilig an den genannten Verfahren ist jedoch, dass aufgrund des unspezifischen Energieübertrags auf die imprägnierte Faserstruktur eine große Menge an Energie ungenutzt verloren geht. Weiter nachteilig an den Verfahren ist, dass aufgrund der mitunter langen Belegungszeiten der Werkzeuge relativ lange Taktzeiten im Fertigungsprozess die Folge sind, welche die Kosten dieser Verfahren erheblich erhöhen können.
Bei Fertigungsverfahren für serienmäßige Prozesse bestehen zusätzlich noch die Bedürfnisse für einen effizienten Einsatz von Werkstoffen, sowie allgemein für kostengünstige Prozesse mit einer reduzierten Anzahl von Prozessschritten, um einen erhöhten Durchsatz gewährleisten zu können. Auch diesbezüglich eignen sich die herkömmlichen Verfahren, wie RTM oder ein Autoklavverfahren nur ungenügend. Im Gegensatz zu diesen Verfahren sind andere Fertigungsverfahren für Faserverbundstrukturen, wie beispielsweise Pultrusion (Tiefstrangziehen) oder Heißpressen, welche zwar hinsichtlich einer besseren Wirtschaftlichkeit größere Produktionsvolumen erlauben, hinsichtlich der realisierbaren Geometrien der Faserverbundstrukturen sehr limitierend. So lassen sich beispielsweise bei Pultrusionsverfahren beinahe aus- schließlich nur gerade Profile mit einem konstanten Querschnitt herstellen. Dies schränkt jedoch die Einsatzfähigkeit dieser Verfahren für komplexere Strukturen, wie sie etwa im Fahrzeugbau nachgefragt werden, stark ein. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstrukturen zur Verfügung zu stellen, welches einerseits eine gute Energienutzung erlaubt, aber gleichzeitig auch die Herstellung von komplexeren Strukturen, insbesondere von dreidimensional komplexen Strukturen ermöglicht. Zusätzlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Faserverbundstrukturen vorzuschlagen, sowie eine solche Faserverbundstruktur.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstrukturen, welches die folgenden Schritte umfasst: Imprägnieren einer Faserstruktur mit einem Polymermaterial; Behandeln der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie in die imprägnierte Faserstruktur zum Schmelzen und/oder zum Vernetzen des Polymermaterials.
Weiter wird die Aufgabe durch eine Faserverbundstruktur gelöst, welche mit einem solchen Verfahren erhältlich ist. Insbesondere kann diese Faserverbundstruktur ein Halbzeug sein. Überdies wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Faserverbundstruktur vorgeschlagen wird, welche wenigstens eine, bevorzugt mindestens zwei Mikrowellenstrahlungsquellen aufweist. Während des Prozesses des Energieeintrags kommt es typischerweise zu einer Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit der anisotropen imprägnierten Faserstruktur. Durch eine direkte Einbringung der Mikrowellenenergie in die imprägnierte Faserstruktur kann die Absorption der eingebrachten Energie hauptsächlich auch an den Stellen erfolgen, welche für die Energieaufnahme vorgesehen und/oder geeignet sind. Dies ist insbesondere das Polymermaterial, welches infolge der Energieabsorption schmelzen kann oder molekular vernetzt. In vorteilhafter Weise erlaubt somit die direkte Energieeinbringung mittels Mikrowelle auch schnellere Prozesszeiten, da die zusätzliche Erwärmung weiterer Strukturen mitunter entfällt. Weiter kann die Ankopplung der Mikrowellenstrahlung aber auch über die Faserstruktur selbst, insbesondere über Carbonfasern erfolgen, falls solche von der Faserstruktur umfasst werden, oder über einen Füllstoff. Sollte eine solche Ankopplung erfolgen, wird jedoch typischerweise ausreichend Wärmeenergie an das umgebende Polymermaterial oder Harz abgegeben, so dass dieses schmelzen bzw. vernetzen kann.
Überdies erlaubt eine Einbringung mittels Mikrowellenenergie eine Energieeinbringung in tiefere Schichten der imprägnierten Faserstruktur bzw. der Faserverbund- struktur, ohne jedoch vorher zum Wärmetransport einen Temperaturgradienten in der Faserverbundstruktur aufgebaut haben zu müssen. Derartige Temperaturgradienten tragen oft zu einer ungewünschten Wärmebehandlung bei, in welcher bestimmte Regionen etwa verstärkt behandelt, d.h. erwärmt, werden als andere Regionen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch eine weitgehend gleichmäßige Erwär- mung der vollständigen Faserstruktur bzw. Faserverbundstruktur ermöglichen. Dadurch werden zudem auch Spannungen vermieden, die Schwachstellen in der Struktur entstehen lassen können.
Ein weitere Vorteil der Einbringung von Mikrowellenenergie in die Faserstruktur bzw. Faserverbundstruktur ist darin zu sehen, dass die Erwärmung nicht nur volumetrisch erfolgen kann, sondern auch auf die Strukturerfordernisse der Faserverbundstruktur angepasst werden kann, indem etwa bestimmte Bereiche mit einer höheren Energiedichte versorgt werden als andere, bzw. die Strahlung auf vorbestimmte Abschnitte der Faserverbundstruktur gezielt gerichtet werden. Alternativ kann auch durch geeig- nete Orientierung bzw. Anordnung der Mikrowellenstrahlungsquellen in Bezug auf die Faserstruktur bzw. Faserverbundstruktur ein weitgehend homogenes Mikrowellenfeld in dieser erzeugt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist vorgesehen, dass vor dem Schritt des Behandeins der imprägnierten Faserstruktur mit Mikrowellenenergie die imprägnierte Faserstruktur durch ein Tiefstrangziehen (Pultrusion), Kalandern, Laminieren, insbesondere Bandlaminieren, Pressen, insbesondere Bandpressen, oder Innenhochdruckumformen vorgeformt wird. Ein Vorformen betrifft hier einen Formprozess, welcher zeitlich vor dem Schritt des Be- handelns der imprägnierten Faserstruktur mit Mikrowellenenergie erfolgt. Ein Vorformen erlaubt eine geeignete Formgebung in einem Zustand, in welchem die imprägnierte Faserstruktur noch nicht mit Mikrowellen behandelt worden ist und damit noch mitunter verhältnismäßig leichter formbar ist. Ein bereits erfolgtes Schmelzen bzw. Vernetzen des Polymers kann nämlich die Formbarkeit der imprägnierten Faserstruktur deutlich einschränken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass während des Schritts des Behandeins der imprägnierten Faser- struktur mit Mikrowellenenergie gleichzeitig die imprägnierte Faserstruktur durch ein Tiefstrangziehen (Pultrusion), Kalandern, Laminieren, insbesondere Bandlaminieren, Pressen, insbesondere Bandpressen, oder Innenhochdruckumformen umgeformt wird. Ein derartiges Verfahren erlaubt eine Zeitersparnis im Produktionsprozess, da zwei Prozessschritte gleichzeitig ausgeführt werden können. Zudem erlaubt der gleichzeitige Mikrowellenenergieeintrag im Wesentlichen eine Finalisierung der
Formgebung. Durch gleichzeitiges Ausführen eines formgebenden Prozesses sowie der Einbringung von Mikrowellenenergie wird die mit Polymermaterial imprägnierte Faserstruktur in einen stabilen End- oder auch Zwischenzustand (etwa als Halbzeug) überführt, wobei das Polymermaterial wenigstens teilweise geschmolzen oder ver- netzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses auch die folgenden Schritte auf: Einlegen von zumindest zwei imprägnierten Faserstrukturen in ein Werkzeug; und Fügen der zumindest zwei imprägnierten Fa- serstrukturen während des Behandeins der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie. Damit können komplexere Faserverbundstrukturen, insbesondere dreidimensional komplexere Faserverbundstrukturen hergestellt werden. Zudem kann ein effizienter Fügeprozess ausgeführt werden, da das Verbinden der wenigstens zwei Faserstrukturen durch die Mikrowelleneinstrahlung unterstütz wird. Ein solcher Fügeprozess kann auch durch Einsatz eines Haftvermittlers oder Klebstoffs unterstützt werden. Der Kleber kann hierbei auch durch die Mikrowellenstrahlung aktiviert werden. Weiter kann der Kleber auch in Mikrokapseln vorgesehen sein, wobei die Zerstörung der Mikrokapsel durch Mikrowellen erfolgen kann. Die Mikrokapseln haben dabei die Funktion eines latenten Härtersystems und bestehen aus Harz, Härter und Additiv.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Fügen durch die dem Polymermate- rial oder dem Harz immanente Adhäsionsfähigkeit direkt zwischen den zwei Faserstrukturen möglich, die dann aneinander haften und miteinander
aushärten.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Verfahren auch die folgenden Schritte aufweist: Einfügen eines Kerns in die Faserstruktur bzw. zwischen die Faserstrukturen zur Ausbildung von Hohlräumen in den Faserverbundstrukturen; und Entfernen des Kerns während oder nach dem Behandeln der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie. Der Kern kann entweder ein verlorener oder auch ein nicht-verlorener Kern, insbeson- dere ein ziehbarer Kern sein. Der Kern wechselwirkt hierbei bevorzugt mit der Mikrowellenstrahlung weniger als das umgebende Material. Damit lassen sich nicht nur komplexe Strukturen darstellen, sondern auch Hohlräume vorsehen, welche beispielsweise weitere Funktionen in der fertigen oder halbfertigen Faserstruktur bzw. Faserverbundstruktur erfüllen können. Beispielsweise zu nennen sind hier das Aus- formen von Kühlkanälen zur Materialkühlung bei bestimmungsgemäßer Verwendung der erzeugten Faserverbundstruktur, oder von Hohlräumen zur Materialeinsparung.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie temperaturgesteuert erfolgen. Alternativ kann das Verfahren auch temperaturgeregelt erfolgen. In beiden Fällen bestimmt die Temperatur in der zu behandelnden imprägnierten Faserstruktur die Menge des weiteren Energieeintrags. Alternativ kann auch die Temperatur an einem die Faserstruktur aufnehmenden Werkzeug bestimmt werden, bzw. an der Oberfläche der Faserstruktur selbst. Demnach kann die Menge an einzutragender Energie geeignet eingestellt werden, so dass die Prozessbedingungen, insbesondere die Schmelztemperatur des Polymermaterials oder der Vernetzungsgrad geeignet kontrolliert werden können. Vorteilhafte Prozesstemperaturen für Phenolharze sind etwa 80°C bis 1 10 °C, sowie für duroplastische Polymere typischerweise 130° bis 300°. Alternativ kann das Verfahren derart erfolgen, dass das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie leistungsgesteuert erfolgt. Hierbei wird insbesondere auf ein solches Verfahren zurück gegriffen, wenn die Pro- zessbedingungen vorab schon ausreichend bekannt sind und nach Vorkenntnis es ausreichend ist, eine bestimmte Energiemenge über einen vorbestimmten Zeitraum einzubringen. Ein leistungsgesteuertes Verfahren ist insbesondere in einer Serienfertigung vorteilhaft, in welcher lediglich die Kenntnis des ungefähren Prozessverlaufs bis zum Eintrag einer vorbekannten Menge an Energie erforderlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass es derart ausgeführt wird, dass das Behandeln der imprägnierten Faserstruktur durch Einbringen von Mikrowellenenergie zwischen 1 min und 60 min dauert. Die genaue Zeitdauer bestimmt sich u.a. nach der Geometrie und Größe der zu behandelnden Fa- serstruktur, der des Werkzeugs sowie der der Mikrowellenstrahlungsquellen. Überdies können auch größere Bauteile, wie beispielsweise Flügel- oder Rumpfteile von Flugzeugen oder Schiffen mittels Mikrowellen gezielt behandelt werden, so dass mitunter auch längere Zeiten der Behandlung erforderlich sein können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Pressen weggesteuert oder druckgesteuert erfolgt. Das Pressen kann hierbei vor oder auch während des Behandeins der imprägnierten Faserstruktur mit Mikrowellenstrahlung erfolgen. Ein weggesteuertes Verfahren erlaubt eine einfache Prozesssteuerung. Weiterführend kann die Steuerung auch die Menge an bereits in die imprägnierte Faserstruktur eingetragene Mikrowellenenergie berücksichtigen. Ein druckgesteuertes Verfahren vermag vor allem vorbestimmten Prozessschritten angepasst werden, die etwa definierten Zuständen der imprägnierten Faserstruktur während des Behandlungsverlaufs entsprechen. Als zusätzlicher Prozessschritt kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Carbonisierung und/oder auch Graphitierung der Faserverbundstruktur nach dem Behandeln mit Mikrowellen erfolgen. Ferner können als alternative Verfahrensschritte bevorzugt Nachimprägnieren, Aushärten mit Mikrowellenstrahlung und mikrowellenunterstütztes CVI vorgesehen sein. Der so erzeugte Verbundwerkstoff ist dann koh- lenstoffverstärkter Kohlenstoff (CFC). Konkrete Anwendungen sind hierzu beispielsweise die Herstellung von Filz (z.B. für Ofenauskleidungen), Flugzeugbremsscheiben und Bremsscheiben für Straßenfahrzeuge. Wird in einer weiteren Ausführungsform der zusätzliche Verfahrensschritt einer Sili- zierung durchgeführt, lässt sich als Faserverbundstruktur kohlenstoffverstärktes Sili- ziumcarbid herstellen, wenn von der Faserstruktur Carbonfasern umfasst werden. Eine solche Faserverbundstruktur kann etwa für Bremsscheiben, wie auch im Bereich Ballistik verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist das zum Imprägnieren vorgesehene Polymermaterial ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Polymer, insbesondere ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Harz. Ein thermoplastisches Polymer oder Harz kann bei Be- handlung mit Mikrowellenenergie schmelzen, wobei nach Beendigung des Energieeintrags ein Vernetzen bzw. Erstarren erfolgt. Ein duroplastisches Polymer oder Harz wird bei Behandlung mit Mikrowellenenergie typischerweise zunehmend vernetzt, so dass eine dreidimensional vernetzte Struktur ausgeformt wird, in welche etwa eine Faserstruktur eingebettet sein kann. Hierbei sind bekannte Temperaturgrenzen zu beachten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das zum Imprägnieren vorgesehene Polymermaterial ein organisches und/oder anorganisches Harz sein. Anorganische Harze sind insbesondere dann als Bindesystem zu verwenden, wenn die Faser- struktur Fasern aus SiC umfasst.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird als Harz ein sogenanntes Hybridharz eingesetzt, das auf der Basis von mindestens zwei, in der Regel unabhängigen Reaktionssystemen besteht. Das zweite Reaktionssystem kann auch in Form eines sogenannten Beschleunigers oder Katalysators des ersten Reaktionssystems ausgestaltet sein, durch den eine Steuerung der Reaktion erfolgen kann.
Weiter können duroplastische und/oder thermoplastische Harze in organischen oder anorganischen Lösungsmitteln zur verbesserten Applizierung gelöst sein. Optional kann das Polymermaterial oder das Harz auch Füllstoffe wie beispielsweise Holzmehl, Ruß, Graphit, Gesteinsstaub, Glasstaub oder Koks als Füllstoff enthalten.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Fa- serstruktur Faserrovinge, Kurzschnittfasern, Faserbündel oder textiles Halbzeug wie Gewebe, Gelege, Geflecht oder Gewirke umfasst. Als Fasertypen werden bevorzugt eingesetzt: Carbonfasern, auf Basis von PAN, Pech und Cellulose, Graphit, Hybridgarne aus Glas, Aramid und/oder Carbon, Endlosfasern sowie auch Feinschnittfasern. Die Fasern verleihen der Faserverbundstruktur eine gegen mechanische Ein- flüsse widerstandfähige Struktur, welche in dem Polymermaterial, insbesondere in dem Harz eingebettet ist. Eine Einbettung kann hier auch im Sinne einer nicht vollständigen Einbettung verstanden werden. Weiterhin kann die Faserstruktur auch Multiaxialgelege, Vliesstoffe, Filze oder Papiere umfassen. Gemäße einer Weiterführung kann auch vorgesehen sein, dass die Faserstruktur vorbehandelte Faserbündel, insbesondere temperaturvorbehandelte Faserbündel umfasst. Eine derartige Temperaturvorbehandlung kann sowohl zur Behandlung der Faseroberfläche, etwa zur Entfernung der Faserschlichte, erfolgen, oder aber auch in einer Reihe an weiteren Prozessschritten, etwa zur Herstellung von Faserbündel umfassenden CFK-, CSiC oder CFC-Bauteilen. Insbesondere sind hier zu nennen Carbochip-Bauteile, welche als Gerüststoff in einer Faserstruktur bzw. Faserverbundstruktur umfasst sein können. Bevorzugt können Carbochips mit einer Breite von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 2 mm, einer Länge von weniger als 20 mm, insbesondere von weniger als 10 mm, und einer Höhe von weniger als 8 mm, insbesondere von weniger als 6 mm und besonders bevorzugt von weniger als 3 mm verwendet werden.
Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Faserstruktur mechanisch vorbehandelte Faserbündel, insbesondere mechanisch vorgemischte Faserbündel um- fasst. Derartig behandelte Faserbündel können verbesserte Imprägnierungseigenschaften aufweisen, welche die Qualität der herzustellenden Faserverbundstruktur erhöhen. Weiter können solche Faserbündel, insbesondere wenn sie bereits in CFK-, CSiC oder CFC-Bauteilen verarbeitet wurden, zu einer vorteilhaften Mikrostrukturie- rung führen, die eine verbesserte Qualität der nachträglich herzustellenden Faserverbundstruktur gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Faserverbundstruktur umfasst auch Faserbündel einer definierten, im Wesentlichen gleichmäßigen Größe. Diese können etwa in derart großen Stückzahlen hergestellt werden, dass eine Serienfertigung von Faserverbundstrukturen ermöglicht werden kann. Zudem lassen sich bei einheitlichen Faserbündeln die Festigkeiten der zu erzeugenden Faserverbundstruktur besser einschätzen oder berechnen.
Gemäß einer weiterführenden oder auch alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Faserstruktur eine Anzahl an verschieden langen Fasern umfasst, insbesondere die Fasern aufeinander angeordnet sind und bevorzugt unterschiedliche Orientierungen der Fasererstreckungsrichtungen aufweisen. Faserstruk- turen unterschiedlicher Faserlängen können etwa auch recyclierte Fasern sein, welche in einem Recyclingprozess gewonnen werden. Weiter können Fasern unterschiedlicher Länge auch geeignet an die herzustellende Faserverbundstruktur ange- passt sein, so dass Festigkeiten der Faserverbundstruktur gezielt, auch lokal eingestellt werden können.
Ausführungsgemäß kann auch die Faserverbundstruktur ein Bauteil eines Fahrzeugs, insbesondere eine Bremsschreibe eines solchen Fahrzeugs sein. Ferner bevorzugt sind Verwendungen der Faserverbundstruktur im Bereich der Messtechnik und Optik (z. B. für Tasterrohre, Säulen, optische Scheren, Kameraplattem und Lin- senfassungen) wie im Bereich Maschinenbau (z. B. für Greiferstangen, Pleuel, Hubhaken, Hubbalken und Rotorbügel. Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturen etwa im Bereich Messtechnik und Optik sind eine geringe Wärmeausdehnung (einstellbar bis in den negativen Bereich), ein geringes Eigengewicht, eine hohe Messgenauigkeit, Dimensionsstabilität und Positioniergenauigkeit. Vorteile der erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturen etwa im Bereich Maschinenbau sind ein geringes Eigengewicht, eine ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit, eine höhere Ausbringungsmenge, ein geringer Energieverbrauch und eine gute chemische Beständigkeit. Weitere Anwendungsbereiche sind der Flugzeugbau, der Automobilbau einschließlich
Nutzfahrzeuge, der Schiffbau, Blechteile und Blendungen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung der Faserverbundstruktur ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens eine, bevorzugt mindestens zwei Mikrowellenstrahlungsquellen aufweist. Die Mikrowellenquellen erlauben die Abstrahlung bzw. Einbringung von Mikrowellenenergie in die imprägnierte Faserstruktur. Die Mikrowellenstrahlungsquellen können derart ausge- führt sein, dass sie die gesamte Faserstruktur in sich aufnehmen und bei Betrieb mit Mikrowellenenergie bestrahlen, oder aber lediglich lokal an einem die Faserstruktur aufnehmenden Werkzeug angebracht sind. Zur Verbesserung der Energieaufnahme durch die Faserstruktur kann die Abstrahlcharakteristik bei der Anordnung der Mikrowellenstrahlungsquelle in Bezug auf die Faserstruktur eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Mikrowellenstrahlungsquelle an einem Werkzeug zur Formgebung bzw. zur Aufnahme der Faserstruktur, insbesondere auf unterschiedlichen Seiten des Werkzeugs angeordnet ist. Die Anordnung an unterschiedlichen Seiten des Werk- zeugs ermöglicht eine verbesserte Energiedichteverteilung in der imprägnierten Faserstruktur. Die Anordnung kann zudem die Geometrie des Werkzeugs bzw. der imprägnierten Faserstruktur berücksichtigen, so dass ein möglichst guter Energieeintrag erfolgen kann. Die Anordnung kann auch eine vorteilhafte Homogenisierung des Strahlungsfeldes unterstützen.
Gemäße einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Mikrowellenstrahlungsquellen an dem Werkzeug symmetrisch zur behandelnden Faserverbundstruktur angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann eine vorteilhafte Homogenisierung des Strahlungsfeldes und damit des Energieeintrags erreichen.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Mikrowellenstrahlungsquelle an dem Werkzeug zur Formgebung an einem im Wesentlichen mikrowellendurchlässigen Bereich des Werkzeugs angeordnet ist, welcher insbesondere eine Keramik, bevorzugt AI2O3, eine Granitstruktur, einen Kunststoff, und/oder eine Calci- umcarbonstruktur (z.B. Cyclics C65 Calciumcarb) aufweist. Keramiken können ausreichend homogen gefertigt werden, so dass bei Durchstrahlung mit Mikrowellen- strahlung keine Hot-Spots, d.h. Regionen übermäßiger Energieeinbringung, auftreten. Dies gewährleistet einerseits eine vorteilhafte Energieverteilung über den ge- samten Strahlungsquerschnitt und andererseits werden Beschädigungen des mikrowellendurchlässigen Bereichs vermieden. Hierbei ist auch anzuführen, dass typischerweise keine vollständige Mikrowellendurchlässigkeit erreicht werden kann. Eine Durchlässigkeit von mehr als 10%, insbesondere von mehr als 50% in
vorbestimmten spektralen Bereichen kann vorliegend bereits als ausreichend angesehen werden.
Gemäße einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Leistung der wenigstens einen Mikrowellenstrahlungsquelle zwischen 1 und 300 kW beträgt. Diese Abstrahlleistungen sind typischerweise ausreichend für die meisten Behand- lungen von imprägnierten Faserstrukturen. Größere Leistungen können vorgesehen werden, wenn dies die Anwendung erfordert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass an dem Werkzeug wenigstens ein Temperaturfühler angeordnet ist. Der Temperatur- fühler kann hierbei an der Außenseite des Werkzeugs oder an der Innenseite des Werkzeugs vorgesehen sein. Insbesondere kann der Temperaturfühler eine Sonde zum Einführen durch das Werkzeug in die Faserstruktur sein. Der Temperaturfühler ermöglicht eine geeignete Temperatursteuerung der Behandlung mit Mikrowellenenergie. Ausführungsgemäß können auch mehr als ein Temperaturfühler pro Faser- struktur oder pro Werkzeug vorgesehen sein. Diese können auch vorteilhaft relativ zueinander angeordnet sein.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Werkzeug wenigstens bereichsweise temperaturisoliert ausgebildet ist. Eine Temperaturisolierung gewährleistet eine verringerte Wärmeverlustleistung beim Behandeln der imprägnierten Faserstruktur mit Mikrowellenenergie.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug und die Mikrowellenstrahlungsquellen so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Faserverbundstruktur bei Betrieb der wenigstens einen Mikrowellenstrahlungsquelle eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung ausgebildet wird. Damit wird gewährleistet, dass der Schmelzprozess bzw. der Vernet- zungsprozess weitgehend gleichmäßig über das gesamte Volumen der imprägnier- ten Faserstruktur erfolgt.
Weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen ausgeführt. Hierbei betreffen gleiche Bezugszeichen Merkmale mit im Wesentlichen gleicher Wirkung.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Behandlung mittels Mikrowelleneinstrahlung einer mit einem Polymermaterial imprägnierten Faserstruktur im Quer- schnitt;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines Werkzeugs in perspektivischer Ansicht zur Aufnahme von imprägnierten Faserstrukturen; Fig. 2b eine schematische Darstellung des Werkzeugs gemäß Figur 2a in perspektivischer Ansicht nach Befüllung mit einer imprägnierten Faserstruktur;
Fig. 2c eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Behandlung von imprägnierten Faserstrukturen umfassend ein Werkzeug gemäß den Figuren 2a und 2b;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines
Werkzeugs in perspektivischer Ansicht zur Aufnahme von imprägnierten Faserstrukturen;
Fig. 4a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Behandlung von imprägnierten Faserstrukturen umfassend ein Werkzeug gemäß der Figur 3; Fig. 4b eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Behandlung von imprägnierten Faserstrukturen umfassend ein Werkzeug gemäß der Figur 3; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Behandlung von imprägnierten Faserstrukturen als Pultrusionsvor- richtung;
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Behandlung mittels Mikrowellenstrahlung 10 einer mit einem Polymermaterial 3 imprägnierten Faserstruktur 2 (beide vorliegend nicht einzeln gezeigt) im Querschnitt. Die mit einem Polymermaterial 3 imprägnierte Faserstruktur 2 ist vorliegend als eine bereits hergestellt Faserverbundstruktur 1 abgebildet. Die Faserverbundstruktur 1 ist aufgenommen in einem Werk- zeug 65, welches die Faserverbundstruktur 1 allseitig umschließt. Folglich kann die Faserverbundstruktur 1 mit Mikrowellenstrahlung 10 beaufschlagt werden, so dass das Polymermaterial 3 schmilzt und/oder vernetzt, wenn die absorbierte Mikrowellenenergie in Wärmeenergie umgesetzt wird. Zusätzlich kann das Werkzeug noch mit Druck beaufschlagt werden, um etwa ein Pressen der mit einem Polymermaterial 3 imprägnierten Faserstruktur 2 (Faserverbundstruktur 1 ) vorzunehmen.
Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung eines Werkzeugs 65 in perspektivischer Ansicht zur Aufnahme von imprägnierten Faserstrukturen 2. Das Werkzeug 65 weist eine Aufnahme 67 auf, in welcher imprägnierte Faserstrukturen 2 aufgenommen werden können. Insbesondere können die Faserstrukturen 2 in der Aufnahme 67 mit einem Polymermaterial 3 (vorliegend nicht gezeigt) gemischt und imprägniert werden, wenn sie nicht bereits vorab mit diesem imprägniert wurden. Die Aufnahme 67 weist eine fest vorgegebene Form auf, so dass die imprägnierten Faserstrukturen 2 nach dem Behandeln mit Mikrowellenenergie eine entsprechende Gegenform auf- weisen. Weiter weist das Werkzeug 65 eine Abdeckung (nicht mit einem Bezugszeichen versehen) auf, mit welcher die Aufnahme verschlossen bzw. abgedeckt werden kann. Die Abdeckung ist der Form der Aufnahme 67 entsprechend angepasst, so dass vorzugsweise ein passgenauer Verschluss der Öffnung der Aufnahme 67 erfolgen kann. Vorliegend ist die imprägnierte Faserstruktur 2 lediglich schematisch dar- gestellt. Die Faserstruktur 2 ist hierbei, wie in Figur 2b gezeigt, mit einem Polymermaterial 3 imprägniert bzw. gemischt, wobei auch das Polymermaterial 3 lediglich schematisch angedeutet ist. Der Füllzustand der Aufnahme 67 kann je nach Anforderungen variieren bzw. eingestellt werden.
Nach Einbringen einer ausreichenden Menge von imprägnierten Faserstrukturen 2 in die Aufnahme 67 wird das Werkzeug 67 verschlossen und in einem Behandlungs- prozess mit Mikrowellenenergie 10 aus einer Mikrowellenstrahlungsquelle 70 bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt vorliegend von der Seite, welche der Aufnahme 67 entgegen gerichtet ist, kann jedoch nach anderen Anforderungen von einer beliebigen Seite erfolgen. Voraussetzung ist lediglich, dass die Mikrowellenenergie durch die Wandungen des Werkzeugs 65 in die imprägnierte Faserstruktur 2 eingebracht werden kann. Hierzu kann ein mikrowellendurchlässiger Bereich 66 vorgesehen sein, über welchen die Mikrowellenenergie in die Aufnahme 67 eingekoppelt werden kann. Gleichzeitig oder auch zeitversetzt kann auch Druck (symbolisch Dargestellt durch den Pfeil) auf die Abdeckung der Aufnahme 67 ausgeübt werden, welcher an die imprägnierte Faserstruktur 2 entsprechend übertragen wird. Damit erfolgt eine Kom- paktierung der imprägnierten Faserstruktur 2. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Werkzeugs 65 in perspektivischer Ansicht zur Aufnahme von imprägnierten Faserstrukturen 2. Anders als Werkzeug 65 in den Figuren 2a bis 2c weist das vorliegende Werkzeug 65 eine ringförmige Struktur auf. Derartige Ausformungen sind insbesondere geeignet, für die Herstellung von Bremsscheiben. Das Werkzeug 65 weist eine Abdeckung der ringförmigen Aufnahme 67 auf, welche einen mikrowellendurchlässigen Bereich 66 definiert. Beispielsweise ist die gesamte Abdeckung aus einem mikrowellendurchlässigen Material wie AI2O3 hergestellt, so dass direkt durch die Abdeckung Mikrowellenenergie in die Aufnahme 67 eingestrahlt werden kann . Alternativ hierzu können auch einzelne Fenster vorgesehen sein. Die übrigen Wandungen können zudem auch temperaturisoliert sein, so dass die Wärmeverluste vermindert werden.
Wie in Fig. 4a dargestellt, können eine Mehrzahl an Mikrowellenstrahlungsquellen 70 auf der Abdeckung vorgesehen sein, welche eine Abstrahlungsrichtung in Richtung der Aufnahme 67 aufweisen. Vorliegend sind insgesamt 4 Mikrowellenstrahlungsquellen 70 vorgesehen, welche symmetrisch auf der Abdeckung angeordnet sind. Hierbei ist jedoch jede andere Anzahl an Mikrowellenstrahlungsquellen 70 denkbar. Alternativ oder ergänzend, wie in Fig. 4b dargestellt, können zudem auch noch weitere Mikrowellenstrahlungsquellen 70 auf der den ersten Mikrowellenstrahlungsquellen 70 gegenüber liegenden Seite des Werkzeugs 65 vorgesehen sein, welche ebenso symmetrisch angeordnet sind. Auch diese zweiten Mikrowellenstrahlungsquellen 70 können eine andere Anordnung bzw. Anzahl aufweisen als vorliegend gezeigt. Wesentlich ist jedoch, dass auch bei Verwendung weiterer Mikrowellenstrahlungsquellen 70, diese Ihre Energie durch einen mikrowellendurchlässigen Bereich 66 in das Innere des Werkzeugs 65 abgeben. Dieser ist vorliegend nicht genauer bestimmt. Zusätzlich können in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4a und Fig. 4b auch noch weitere Pressvorrichtungen vorgesehen sein, welche Druck über die Abdeckung auf die imprägnierte Faserstruktur 2 ausüben. Die Pressvorrichtungen sind vorliegend nicht weiter dargestellt. Beispielsweise können, wie interne Versuche ergeben haben, bei einer Einwiegmasse von 2500 g imprägnierter Faserstruktur unter einer Aufheizrate von 10 K/min eine Temperatur von 180 °C über eine Zeit von 20 Minuten gehalten werden, um eine stabile Faserverbundstruktur zu erhalten. Die Masse der so hergestellten Faserverbundstruktur betrug etwa 2300 g nach dem Behandlungsprozess mit einer Dicke von ca. 2 cm und wies eine Dichte von 1 ,21 g/cm 3 auf.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 60 zur Behandlung von imprägnierten Faserstrukturen als Pultrusionsvorrichtung. Hierbei wird ein Faserstrang oder Roving, im Sinne einer Faserstruktur 2, insbesondere aus Carbonfasern, über Umlenkrollen 68 in ein Tauchbad 69 eingeführt, in welchem der Faserstrang oder Roving 20 mit einem Polymermaterial 3 getränkt, d.h. imprägniert wird. Anschließend wird der imprägnierte Faserstrang 20, im Sinne einer imprägnierten Faserstruktur 2, in einen Einlass 64 der Pultrusionsvorrichtung 60 gezogen. Nach Durchlaufen des Einlasses 64 wird die Faserstruktur 2 (Faserstrang/Roving 20) mit Mikrowellenenergie aus einer Mikrowellenstrahlungsquelle 70 behandelt, wobei das Polymermaterial wenigstens teilweise vernetzt. Anschließend wird der Faser- strang/Roving 20 in das Werkzeug 65 als Formwerkzeug geführt. Nach dem Form- prozess wird ein pultrudierter Faserstrang/Roving 20 (Faserverbundstruktur 1 ) er- halten.
Beispielsweise können bei dem Pultrusionsprozess Carbonfasern der Hersteller Te- nax und SGL (Sigrafil) geeignet in Flachprofile verarbeitet werden. Als Pultrusions- werkzeug eignet sich ein Werkzeug mit einer Querschnittsfläche von 50mm 2 unter Verwendung einer Abzugsgeschwindigkeit zwischen 0,3m/min und 1 ,235m/min. Die Dicke des Pultrudats beträgt insbesondere zwischen 1 und 2 mm, wobei ein Faservolumengehalt erzielt werden kann, welcher ca. 60% beträgt. Die Werkzeugtemperatur kann geeignet auf 150 bis 200°C eingestellt werden. Die Kühlung des Werkzeugs kann am Einlass erfolgen. Als Polymermaterial hat sich das Phenolharz Epo- nol 2509 zusammen mit dem Härter Eponol 2501 /B unter Zusatz von Eponol PHL 2601 /A2 als Trennmittel als vorteilhaft erwiesen. Als Füllstoff können zudem die Füllstoffe ASP 400 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste:
1 Faserverbundstruktur
2 Faserstruktur
3 Polymermaterial
10 Mikrowellenenergie
20 Strang/Roving
60 Vorrichtung
64 Einlass
65 Werkzeug
66 mikrowellendurchlässigen Bereich
67 Aufnahme
68 Umlenkrolle
69 Tauchbad
70 Mikrowellenstrahlungsquelle