Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Herstellung von verstärkten Schichtverbunden und Strukturbauteilen, die teilweise aus Polymeren gebildet sind.

Schichtverbundbasierte Strukturbauteile werden z.B. in Kraftfahrzeugen unterhalb von Traktionsbatterien verbaut und dienen insbesondere dem Intrusionsschutz, d.h. dem Schutz einer Traktionsbatterie vor mechanischen Beschädigungen, die bei der Fahrt etwa durch aufprallende Gegenstände verursacht werden können.

Zur Herstellung von schichtverbundbasierten Strukturbauteilen können faserverstärkte Verstärkungslagen zunächst in einem Ofen vorbehandelt werden. Mit zwei aus dem Ofen entnommenen und abgekühlten Verstärkungslagen und einem dazwischen eingebrachten Polymermaterial kann anschließend ein Sandwich-Verbund hergestellt und in einem Umformungswerkzeug unter Erhitzen und ggf. nachgelagerte Bearbeitungsschritte in ein Sandwich-Strukturbauteil, das eine gewünschte Form aufweist, überführt werden.

Über Außenoberflächen der Verstärkungslagen wird bei der Umformung Wärme zugeführt. Dadurch wird das dazwischen eingebrachte Polymer auf eine für die Umformung geeignete Zieltemperatur erhitzt. Die Verstärkungslagen werden dabei im Allgemeinen heißer als der Polymerkern des entstehenden Schichtverbunds. Soll im Polymerkern eine bestimmte, für die Umformung günstige Zieltemperatur eingestellt werden, müssen die Verstärkungslagen einer höheren thermischen Belastungsspitze ausgesetzt werden als der Polymerkern selbst. Außerdem steigt die Temperatur im Kernbereich besonders in dicken Schichtverbunden langsamer an, so dass dort die für die Umformung günstige Zieltemperatur nicht oder nur sehr langsam erreicht wird. Ein homogenes Aufheizen des Kernbereichs bei gleichzeitig geringer thermischer Belastung der Verstärkungslagen an den Außenoberflächen, kann also nur durch eine sehr langsame Wärmezufuhr und damit eine sehr langsame und somit ineffiziente Verfahrensführung erkauft werden.

Die beschriebene Verfahrensweise ist insbesondere dann mit einem großen Aufwand verbunden, wenn komplexe schichtverbundbasierte Strukturbauteile ungleichmäßiger Dicke hergestellt werden sollen. Ein gleichmäßiges Erhitzen des Polymerkerns kann dann mit einem hohen zeitlichen Aufwand erkauft werden, indem ein langsames gleichmäßiges Erhitzen des gesamten Schichtverbunds mit gleichmäßigem Wärmeeintrag in dicken und dünnen Bereichen des Schichtverbunds erfolgt. Dadurch wird im Polymerkernbereich irgendwann überall annähernd dieselbe Temperatur erreicht. Der hohe zeitliche Aufwand lässt sich nur mit einem hohen technischen Aufwand vermeiden, wenn Heizelemente eines Umformungswerkzeugs mit großem technischem Aufwand so ausgebildet werden, dass in dicken Bereichen des Schichtverbunds ein höherer Wärmeeintrag erfolgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schichtverbund sowie darauf basierende Halbzeuge und Strukturbauteile mit möglichst geringem zeitlichem und technischem Aufwand zugänglich zu machen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbunds, eines Schichtverbundhalbzeugs oder eines Schichtverbundstrukturbauteils angegeben, wobei eine Lagenanordnung bereitgestellt wird, umfassend eine Verstärkungslage, z.B. eine faserverstärkte Verstärkungslage, und eine an einer Oberfläche der Verstärkungslage angeordnete Polymerlage, wobei die Polymerlage ein thermoplastisches Polymermaterial umfasst, die Lagenanordnung durch Erhitzen in einen Schichtverbund überführt wird, in dem die Polymerlage eine verformbare Polymerschicht umfasst, und die Form des Schichtverbunds durch Krafteinwirkung verändert wird.

Der Begriff Schichtverbund wird im Zusammenhang mit der Erfindung als allgemeiner Begriff verwendet. Dieser allgemeine Begriff umfasst auch das Schichtverbundhalbzeug und das Schichtverbundstrukturbauteil.

Als Schichtverbundhalbzeug wird insbesondere ein Erzeugnis angesehen, das nach der Krafteinwirkung erhalten wird und infolge der Krafteinwirkung eine veränderte Form hat.

Als Schichtverbundstrukturbauteil wird insbesondere ein Bauteil angesehen, das durch Nachbearbeitung aus einem Schichtverbundhalbzeug erhalten werden kann. Die Nachbearbeitung kann z.B. die Anbringung von Anbindungspunkten umfassen, über die das Schichtverbundstrukturbauteil mit anderen Bauteilen verbunden werden kann, z.B. an oder im Bereich unter einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Anbindungspunkte können z.B. Bohrungen umfassen, durch die sich Befestigungsmittel, z.B. Bolzen, erstrecken können.

Der Begriff Lagenanordnung bezeichnet hierin insbesondere eine Anordnung von Lagen, d.h. der Verstärkungslage und der Polymerlage. Die Lagen sind bis zum Erhitzen typischerweise noch nicht miteinander verbunden. Denn eine Verbindung der Lagen wird beim Erhitzen unter anderem dadurch erreicht, dass die Polymerlage infolge des Erhitzens eine verformbare Polymerschicht umfasst. Typischerweise schmilzt die Polymerlage dabei ganz oder teilweise und das geschmolzene Polymermaterial haftet an der Oberfläche der Verstärkungslage. Der Begriff Lagenanordnung schließt jedoch auch Anordnungen mit ein, in denen die Polymerlage schon vor dem Erhitzen an der Verstärkungslage haftet. Im Allgemeinen verstärkt das Erhitzen dann die Haftung des Polymermaterials der Polymerlage an der Verstärkungslage.

Als Verstärkungslage kommt jede Lage in Betracht, mit der sich die Polymerlage verstärken lässt, die dem Erhitzen standhält und die sich durch Krafteinwirkung nach dem Erhitzen verformen lässt. Die Verstärkungslage kann eine faserverstärkte Verstärkungslage sein.

Die Verstärkungslage, z.B. die faserverstärkte Verstärkungslage, kann ebenfalls ein Polymermaterial umfassen. Das von der Verstärkungslage umfasste Polymermaterial kann bevorzugt ein Thermoplast oder ein Harz sein.

Der von der Verstärkungslage umfasste Thermoplast kann bevorzugt ein Polypropylen (PP), ein Polyamid (PA) oder ein Polybutylenterephthalat (PBT) oder Kombinationen von mindestens zwei dieser Thermoplaste enthalten.

Das von der Verstärkungslage umfasste Harz kann bevorzugt ein Polyurethan-Harz, ein Polyamid-Harz oder eine Kombination dieser Harze enthalten.

Die Verstärkungslage kann z.B. eine faserverstärkte Verstärkungslage sein und das von der Verstärkungslage umfasste Polymermaterial mit Oberflächen von Fasern der Verstärkungslage in Kontakt stehen. Die Fasern können z.B. in das von der Verstärkungslage umfasste Polymermaterial eingebettet sein, mit dem Polymermaterial imprägniert sein oder an einer Oberfläche des Polymermaterials angeordnet sein. Die Fasern der faserverstärkten Verstärkungslage können unidirektional verlaufen. Die faserverstärkte Verstärkungslage kann z.B. ein unidirektionales Fasergelege umfassen.

Die Fasern der faserverstärkten Verstärkungslage können multidirektional verlaufen. Die faserverstärkte Verstärkungslage kann z.B. ein multidirektionales, insbesondere bidirektionales Fasergelege oder ein Fasergewebe umfassen.

Die faserverstärkte Verstärkungslagen kann eine oder mehrere, z.B. 1 bis 10, Faserlagen umfassen.

Die Fasern der faserverstärkten Verstärkungslage können Polymerfasern, z.B. Aramidfasern, Polyacrynitrilfasern, teilweise oxidierte Polyacrylnitrilfasern; Carbonfasern und/oder Mineralfasern, z.B. Glasfasern, enthalten.

Wenigstens ein Teil der Glasfasern können bevorzugt Hohlgasfasern oder aus E-Glas, R- Glas oder aus Quarzglas hergestellte Glasfasern sein.

Die Bedeutungen der Begriffe E-Glas und R-Glas sind dem Fachmann bekannt.

Die Polymerlage umfasst ein thermoplastisches Polymermaterial. Die Angabe thermoplastisch kann insbesondere bedeuten, dass es beim Erhitzen ganz oder teilweise schmilzt und, nachdem die Form des Schichtverbunds durch die Krafteinwirkung verändert wurde, beim späteren Abkühlen wieder erstarrt. Das von der Polymerlage umfasste thermoplastische Polymermaterial kann z.B. Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) enthalten, wobei optional folgende Zuschlagstoffe vorgesehen sein können: Kurz- und/oder Langfasern aus Kohlenstoff und/oder Glas, mineralische Anteile, keramische Anteile, Gleitstoffe. Der Massenanteil der Zuschlagstoffe beträgt insbesondere mindestens ungefähr 40%, beispielsweise mindestens ungefähr 50%, und/oder höchstens ungefähr 80%, beispielsweise höchstens ungefähr 70%. Insbesondere beträgt der Massenanteil der Zuschlagstoffe ungefähr 60%.

Das von der Polymerlage umfasste thermoplastische Polymermaterial kann aufschäumbar sein. Das thermoplastische Polymermaterial kann chemisch oder physikalisch aufschäumbar sein. Beim chemischen Aufschäumen kann durch eine chemische Reaktion eine Substanz, z.B. CO2, freigesetzt werden. Die dabei entstehenden Gasbläschen schäumen das thermoplastische Polymermaterial auf.

Beim physikalischen Aufschäumen bilden sich aus einer im thermoplastischen Polymermaterial dispergierten flüchtigen Substanz, z.B. N2, Gasbläschen, die das thermoplastische Polymermaterial aufschäumen.

Erfindungsgemäß wird die Lagenanordnung durch Erhitzen in einen Schichtverbund überführt, in dem die Polymerlage eine verformbare Polymerschicht umfasst. Vorzugsweise wird die Lagenanordnung durch Erhitzen in einen Schichtverbund überführt, in dem die Polymerlage eine verformbare Polymerschicht ist. Der Fachmann weiß, dass verschiedene thermoplastische Polymermaterialien bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzen. Die Temperatur, bis zu der die Polymerlage beim Erhitzen erhitzt werden soll, wählt der Fachmann so aus, dass die Formbarkeit der entstehenden Polymerschicht für das Erreichen einer angestrebten Form des Schichtverbunds, die bei der späteren Krafteinwirkung eingestellt werden soll, ausreicht.

Erfindungsgemäß wird die Form des Schichtverbunds durch Krafteinwirkung verändert. Dies kann in einem Formgebungswerkzeug erfolgen, z.B. durch Fließpressen, Formpressen und/oder Thermoformen, bevorzugt durch Fließpressen und/oder Formpressen. Dabei wird im Allgemeinen wenigstens die Form der Polymerschicht und bevorzugt auch die Form mindestens einer Verstärkungslage verändert.

Das Formgebungswerkzeug kann mit oder ohne Temperierelement ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Formgebungswerkzeug mit Temperierelement ausgebildet. Mit dem Temperierelement lässt sich die Temperatur der Oberflächen des Formgebungswerkzeugs einstellen, die bis zum Ende der Krafteinwirkung mit Oberflächen des Schichtverbunds in Kontakt treten.

Das Temperierelement kann ein Temperierelement sein, durch das ein Temperiermedium führbar ist. Es kann insbesondere zur Beheizung dienen. Bevorzugt kann das Verfahren zur Herstellung eines Sandwich-Schichtverbunds, eines Sandwich-Schichtverbundhalbzeugs oder eines Sandwich-Schichtverbundstrukturbauteils dienen, wobei die bereitgestellte Lagenanordnung eine Sandwich-Lagenanordnung ist, in der die Polymerlage zwischen der Verstärkungslage und einer weiteren Verstärkungslage angeordnet ist.

Die weitere Verstärkungslage kann bevorzugt so beschaffen sein, wie hierin für die genannte Verstärkungslage beschrieben.

Es kann bevorzugt sein, wenn das Erhitzen in einem Verbindungswerkzeug erfolgt und die Form des Schichtverbunds in einem Formgebungswerkzeug verändert wird. Bevorzugt sind das Verbindungswerkzeug und das Formgebungswerkzeug räumlich getrennt.

Dies kann erhebliche Vorteile haben. So können das Verbindungswerkzeug, das z.B. ein Ofen sein kann, und das Formgebungswerkzeug bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Insbesondere kann das Verbindungswerkzeug bei einer höheren Temperatur als das Formgebungswerkzeug betrieben werden.

Denkbar ist, dass dem Formgebungswerkzeug, z.B. nach einem initialen Aufheizen des Formgebungswerkzeugs, nur die Wärme zugeführt wird, die vom Schichtverbund an das Formgebungswerkzeug abgegeben wird.

Bei der Überführung des Schichtverbunds vom Verbindungswerkzeug in das Formgebungswerkzeug kann eine mit der umgebenden Luft in Kontakt tretende Oberfläche des Schichtverbunds sich der niedrigeren Temperatur annähern, bei der das Formgebungswerkzeug betrieben wird.

Es ist bevorzugt, wenn die Oberfläche des Schichtverbunds ausgehend von der Oberflächentemperatur, die sich beim Erhitzen einstellt, um Y K abkühlt. Y beträgt bevorzugt mindestens 5 %, insbesondere mindestens 10 %, z.B. mindestens 15 % der Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur des Schichtverbunds, die sich beim Erhitzen einstellt und der Temperatur der Umgebungsluft. Die Temperatur der Umgebungsluft kann in dem Raum bestimmt werden, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Im Schichtverbund kann sich bei der Überführung des Schichtverbunds vom Verbindungswerkzeug in das Formgebungswerkzeug ein Temperaturgradient einstellen, wobei die Temperatur im Inneren des Schichtverbunds höher ist als an einer Oberfläche des Schichtverbunds.

Bei Beginn der Krafteinwirkung zur Veränderung der Form des Schichtverbunds kann eine Temperatur im Inneren des Schichtverbunds, z.B. im Inneren der Polymerschicht, höher sein (bevorzugt wenigstens 5 K, besonders bevorzugt wenigstens 15 K, z.B. wenigstens 30 K höher sein) als an einer Oberfläche des Schichtverbunds. Dies kann dazu führen, dass die Form des Schichtverbunds trotz dessen relativ geringer Oberflächentemperatur durch die Krafteinwirkung stark verändert werden kann. Denn wegen der erhöhten Temperatur im Inneren des Schichtverbunds ist die Polymerschicht weicher, als es angesichts der Oberflächentemperatur des Schichtverbunds zu erwarten wäre.

Denkbar wäre z.B., dass bei Beginn der Krafteinwirkung zur Veränderung der Form des Schichtverbunds eine Temperatur im Inneren der Polymerschicht mehr als 220 °C beträgt und damit höher ist als eine Temperatur an einer Oberfläche des Schichtverbunds, die z.B. weniger als 210 °C beträgt.

Der Fachmann kann die Temperaturen im Inneren und an der Oberfläche im Rahmen der Erfindung unter Berücksichtigung der Schmelztemperatur des verwendeten Polymermaterials so anpassen, dass die Formgebung möglich ist und eine stabiler Schichtverbund erhalten wird.

Dies eröffnet die Möglichkeit, das Formgebungswerkzeug bei einer relativ niedrigen Temperatur zu betreiben und die Form des Schichtverbunds durch Krafteinwirkung in einem Moment zu verändern, in dem die Temperatur im Inneren des Schichtverbunds, insbesondere im Inneren der Polymerschicht, höher ist als die Temperatur, bei der das Formgebungswerkzeug betrieben wird.

Als Temperatur bei der das Formgebungswerkzeug betrieben wird, kann eine mittlere Temperatur der Oberflächen des Formgebungswerkzeugs angesehen werden, die bis zum Ende der Krafteinwirkung mit Oberflächen des Schichtverbunds in Kontakt treten. Diese Temperatur wird hierin auch als mittlere Formgebungswerkzeugtemperatur bezeichnet. Sie lässt sich an einem Formgebungswerkzeug mit Temperierelement über das Temperierelement einstellen.

Die mittlere Formgebungswerkzeugtemperatur kann beispielsweise wenigstens 20 °C, bevorzugt 20 °C bis 90 °C, betragen. Der Bereich von 20 °C bis 90 °C ist besonders vorteilhaft, weil ein Formgebungswerkzeug in diesem Temperaturbereich mit Wasser drucklos temperierbar ist.

Die Verbindungswerkzeugtemperatur kann vorteilhaft 140 °C bis 300 °C, bevorzugt 180 bis 280 °C, betragen. Damit können durch entsprechende Einstellung von Verweilzeiten im Verbindungswerkzeug die optimalen Verarbeitungstemperaturen vieler Polymermaterialien (PP: 200 °C bis 240°, PA: 260 °C bis 280 °C) erreicht werden.

Eine Adaptionstemperaturdifferenz AT, die berechnet wird, indem die mittlere Formgebungswerkzeugtemperatur von der Verbindungswerkzeugtemperatur abgezogen wird, kann wenigstens 5 K, bevorzugt wenigstens 10 K, insbesondere wenigstens 15 K, z.B. wenigstens 40 K betragen.

Bei einem bis dahin üblichen Betrieb eines Formgebungswerkzeugs wurde Wärme von einer Oberfläche eines Formgebungswerkzeugs über eine Verstärkungslage in die Polymerlage eingetragen und anschließend unter Krafteinwirkung umgeformt. Das Formgebungswerkzeug wurde also auch zum Aufheizen einer eingebrachten Lagenanordnung genutzt. Um ein Aufheizen gerade bei dickeren Lagenanordnungen schnell zu bewirken, wurde das Formgebungswerkzeug bei einer Temperatur über der gewünschten Umformungstemperatur der Polymerlage bzw. Polymerschicht gehalten. Im Moment der Krafteinwirkung war also die Temperatur der Verstärkungslage typischerweise höher als die Temperatur in der Polymerlage bzw. Polymerschicht. Der Temperaturgradient im Schichtverbund im Moment der Umformung war also umgekehrt zu dem Temperaturgradient, der sich über die erfindungsgemäße Verfahrensführung einstellen lässt.

Ein erfindungsgemäßes, vorausgehendes Erhitzen im Verbindungswerkzeug, z.B. in einem Ofen, kann über einen längeren Zeitraum erfolgen, der 1 bis 120 Minuten betragen kann, bevorzugt 2 bis 90 Minuten betragen kann. Schließlich nimmt die Lagenanordnung in diesem Moment kein teures Formgebungswerkzeug ein. Eine thermische Belastungsspitze der Verstärkungslage kann abgemildert werden, da die Betriebstemperatur des Verbindungswerkzeugs annähernd auf die Zieltemperatur eingestellt werden kann, bei der die nachgelagerte Krafteinwirkung erfolgen soll. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass sich relativ hitzeempfindliche Verstärkungslagen, die z.B. hitzeempfindliche Polymermaterialien umfassen können, auch im Verbund mit hochschmelzenden Polymerschichten umformen lassen.

Ein typisches Verbindungswerkzeug weist eine oder mehrere Heizzonen auf, in der das Erhitzen erfolgt.

Das Verbindungswerkzeug kann ein Ofen und die Heizzone eine Ofenkammer sein.

Das Verbindungswerkzeug kann gestuft aufheizbar sein. Das Verbindungswerkezeug kann ein mehrstufiger Umluftofen sein oder einen mehrstufigen Umluftofen umfassen.

Das Verbindungswerkezeug kann ein zwei-Zonen-Umluftofen sein oder einen zwei- Zonen-Umluftofen umfassen.

Im Verbindungswerkzeug können in verschiedenen Zonen verschiedene Temperaturen herrschen. Dann gilt die Temperatur in der Zone, die im Verlauf des Erhitzens im Verbindungswerkzeug zuletzt erreicht wird, als die Verbindungswerkzeugtemperatur.

Das Verbindungswerkzeug kann einseitig zugänglich oder an zwei Seiten zugänglich sei.

Das Verbindungswerkzeug kann ein von zwei Seiten zugängliches Durchlauf- Verbindungswerkzeug sein, durch das die Lagenanordnung geführt und dabei durch Erhitzen in den Schichtverbund überführt wird.

Die Führung kann dabei durch eine Fördereinrichtung bewirkt werden.

Es kann vorteilhaft sein, die Lagenanordnung mit einer Fördereinrichtung in die Heizzone und den nach dem Erhitzen erhaltenen Schichtverbund mit der Fördereinrichtung aus der Heizzone zu befördern. Die Fördereinrichtung kann z.B. einen Nadelförderer, einen Transportroboter und/oder einen Nadelgreifer umfassen.

Ein typisches Formgebungswerkzeug weist eine Formgebungszone auf, in der die Form des aus dem Verbindungswerkzeug erhaltenen Schichtverbunds verändert wird.

Es kann vorteilhaft sein, wenn wenigstens eine Fördervorrichtung den Schichtverbund vom Verbindungswerkzeug zum Formgebungswerkzeug befördert. Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Fördervorrichtung den von der Fördereinrichtung aus dem Verbindungswerkzeug beförderten Schichtverbund übernimmt und ihn in das Formgebungswerkzeug befördert.

Die Fördervorrichtung kann Abstandselemente aufweisen. Dies kann bewirken, dass nur die an den Abstandselementen anliegenden Oberflächenbereiche des erhitzten Schichtverbunds in physischen Kontakt mit der Fördervorrichtung treten. Dies kann das Risiko eines unkontrollierten Haftens des erhitzten Schichtverbunds an der Fördervorrichtung verringern. Ein unkontrolliertes Haften des erhitzten Schichtverbunds an der Fördervorrichtung würde das Einbringen des Schichtverbunds in die Formgebungszone erschweren. Vorzugsweise beträgt die Zahl der Abstandselemente mindestens 3. Die Abstandselemente können z.B. so geformt sein, dass sie an höchstens 10 %, z.B. höchstens 3 % einer der Fördervorrichtung zugewandten Oberfläche des Schichtverbunds anliegen und die übrigen Bereiche diese Oberfläche des Schichtverbunds auf Abstand zur Fördervorrichtung halten. Die Abstandselemente können z.B. nadelförmig sein.

Die Fördervorrichtung kann z.B. einen Förderarm oder ein Förderband umfassen. Die Fördervorrichtung, insbesondere der Förderarm, kann eine Schichtverbund- Haltevorrichtung, z.B. einen Nadelgreifer, umfassen.

Die Schichtverbund-Haltevorrichtung, z.B. der Nadelgreifer, kann die Abstandselemente aufweisen, die z.B. nadelförmig sein können.

Der aus dem Verbindungswerkzeug beförderte Schichtverbund kann von der Fördervorrichtung aufgenadelt werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Schichtverbund mittels wenigstens einem Nadelgreifer ergriffen wird. Auch das Formgebungswerkzeug kann Abstandselemente, z.B. mindestens 3 Abstandselemente, aufweisen. Auf diesen Abstandselementen kann der Schichtverbund von der Fördervorrichtung zunächst abgelegt werden. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Abstandselemente sich ausgehend von einer Oberfläche einer Formhälfte des Formgebungswerkzeugs erstrecken und so ausgebildet sind, dass sie relativ zu der Oberfläche der Formhälfte beweglich sind. Bevorzugt sind sie in die Formhälfte aufnehmbar. Diese Abstandselemente können z.B. Stiftelemente sein, die in Führungen geführt sind. Bevorzugt sind sie in den Führungen so geführt, dass die Stiftelemente vollständig in die Führungen aufgenommen werden können.

Es kann vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Verbindungswerkzeug und dem Formgebungswerkzeug keine aktive Kühlung des Schichtverbunds erfolgt. Damit ist insbesondere gemeint, dass eine Kühlung lediglich durch die umgebende Luft erfolgt. Selbstverständlich kann die umgebende Luft dabei umgewälzt und/oder gekühlt werden.

Eine Temperaturadaptionszeit t, die von einem Entnehmen des Schichtverbunds aus dem Verbindungswerkzeug bis zu einem Einbringen des Schichtverbunds in das Formgebungswerkzeug vergeht, kann bis zu 150 Sekunden, bevorzugt bis zu 50 Sekunden, weiterhin bevorzugt bis zu 15 Sekunden, besonders bevorzugt bis zu 10 Sekunden, z.B. bis zu 5 Sekunden betragen. Dies kann den Vorteil haben, dass die Temperatur im Inneren des Schichtverbunds ausreichend hoch bleibt für eine anschließende Änderung der Form des Schichtverbunds unter der Krafteinwirkung. Eine Formgebung ist dann mit geringstmöglichem Zeit- und Kraftaufwand möglich.

Ein Adaptionstemperaturgradient G, der berechnet wird, indem die Adaptionstemperaturdifferenz AT durch die Temperaturadaptionszeit t geteilt wird, kann in einem Bereich von 0,005 bis 50 K/s, bevorzugt in einem Bereich von 0,01 bis 45 K/s, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,02 bis 40 K/s, z.B. in einem Bereich von 0,05 bis 35 K/s liegen.

Angesichts der vorstehenden Ausführungen kann es vorteilhaft sein, wenn die Erhitzungsbedingungen beim Erhitzen und die Temperaturadaptionsbedingungen so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Temperatur im Inneren der verformbaren Polymerschicht eine Oberflächentemperatur des Schichtverbunds beim Einbringen des Schichtverbunds in das Formgebungswerkzeug um wenigstens 5 K, z.B. wenigstens 20 K, übersteigt. Unter den Erhitzungsbedingungen beim Erhitzen wird dabei z.B. die Dauer und die Temperatur beim Erhitzen verstanden. Unter den Temperaturadaptionsbedingungen wird dabei z.B. die Temperatur eines sich um den Schichtverbund erstreckenden Mediums, insbesondere Luft, und die Temperaturadaptionszeit in diesem Medium vom Entnehmen des Schichtverbunds aus dem Verbindungswerkzeug bis zum Einbringen des Schichtverbunds in das Formgebungswerkzeug verstanden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das einen Betrieb des Formgebungswerkzeugs bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht, ist die inhärente Neigung zum Anhaften des Schichtverbunds an einer Oberfläche des Formgebungswerkzeugs geringer als bei anderen Verfahren. Hilfsstoffe, die einem Anhaften in Formgebungswerkzeugen entgegenwirken, können daher ganz oder teilweise weggelassen werden. Die Produktionskapazität kann folglich erhöht werden. Denn Betriebsunterbrechungen zur Einbringung solcher Hilfsstoff in das Formgebungswerkzeug können ganz oder teilweise entfallen.

Erfindungsgemäß kann die Lagenanordnung ohne ein vorausgehendes Erhitzen der Verstärkungslage oder der Verstärkungslagen bereitgestellt werden.

Während es üblich war, verschiedene Lagen zu bildenden Schichtverbunds separat aufzuheizen und sie dann zum Verbund zusammenzuführen, wird es durch die Erfindung möglich, die gesamte Lagenanordnung ohne separates Aufheizen der einzelnen Lagen auszubilden und die Lagen gemeinsam in der Lagenanordnung aufzuheizen. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass die Lagenanordnung aus vorerwärmten Lagen aufgebaut wird.

Die Oberfläche der Lagenanordnung kann beim Erhitzen eine Temperatur von wenigstens 5 K, insbesondere 6 K bis 100 K, z.B. 10 K bis 60 K, oberhalb der Schmelztemperatur des in der Polymerlage enthaltenen Polymermaterials erreichen. Dies kann es insbesondere mit hitzeunempfindlichen Verstärkungslagen ermöglichen, das Erhitzen sehr schnell durchzuführen und dadurch die Effizient des Verfahrens weiter zu steigern.

Wenn hierin auf eine Schmelztemperatur Bezug genommen wird, ist die nach EN ISO 11357-3:2018 durch dynamische Differenz-Thermoanalyse (DSC) ermittelte Schmelztemperatur gemeint. Bei Beginn der Krafteinwirkung zur Veränderung der Form des Schichtverbunds kann eine Temperatur im Inneren des Schichtverbunds bei oder oberhalb, bevorzugt oberhalb, der Schmelztemperatur des von der Polymerschicht umfassten Polymermaterials liegen und eine Temperatur an einer Oberfläche des Schichtverbunds kann bei oder unterhalb der Schmelztemperatur des von der Verstärkungslage umfassten Polymermaterials liegen. Bevorzugt ist dabei auch die Temperatur im Übergang von der Polymerschicht zur Verstärkungsschicht bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des von der Polymerschicht umfassten Polymermaterials.

Vorteilhaft kann es so ermöglicht werden, dass sich die Form des Schichtverbunds unter der Krafteinwirkung gut verändern lässt. Vorteilhaft kann zugleich ein Anhaften einer Oberfläche des Schichtverbunds am Formgebungswerkzeug vermieden werden.

Erfindungsgemäß kann das von der Verstärkungslage umfasste Polymermaterial z.B. dem von der Polymerschicht umfassten Polymermaterial entsprechen.

Durch das vorausgehende Erhitzen und die anschließende teilweise (z.B. passive) Abkühlung beim Überführen in das Formgebungswerkzeug kann sich ein Temperaturgradient einstellen. Die Temperatur an einer Oberfläche des Schichtverbunds kann folglich geringer sein als eine Temperatur im Inneren des Schichtverbunds.

Vorteilhaft kann dies die Veränderung der Form des Schichtverbunds mit geringem Kraftaufwand ermöglichen und ein Ankleben des Schichtverbund am Formgebungswerkzeug weitgehend verhindern.

Durch die Erfindung können also Schichtverbundhalbzeuge und Schichtverbundstrukturbauteile mit einheitlicher Polymermatrix erhalten werden, wobei die Polymermatrix sich durch mehrere Schichten erstreckt und dasselbe Polymermaterial umfasst.

Die Schmelztemperatur eines von der Verstärkungslage umfassten Polymermaterials kann geringer sein als die Schmelztemperatur eines von der Verstärkungslage umfassten Polymermaterials. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine sich beim Erhitzen bildende Schmelze des von der Verstärkungslage umfassten ersten Polymermaterials an Fasern der Verstärkungslage haftet und insbesondere nicht abtropft. So kann für die Schmelztemperatur Tsv eines von der Verstärkungslage umfassten Polymermaterials gelten:

Ts > TSP - X wobei TSP die Schmelztemperatur des von der Polymerschicht umfassten Polymermaterials ist und X für 50 K, bevorzugt für 20 K, z.B. für 10 K, steht.

Die Polymerschicht kann aufschäumbar sein.

Der Formgebungsschritt kann ein Aufschäumen wenigstens eines Bereichs der Polymerschicht umfassen. Mit dem Begriff Formgebungsschritt ist die Veränderung der Form des Schichtverbunds durch die Krafteinwirkung gemeint.

Das Aufschäumen des Bereichs kann vorteilhaft durch eine Kraft befördert werden, welche die beiden zu diesem Bereich benachbarten Oberflächenbereiche der Polymerschicht voneinander entfernt.

Beispielsweise kann das Aufschäumen des Bereichs innerhalb eines Formgebungswerkzeugs erfolgen, das eine erste und eine zweite Formhälfte umfasst und die externe Kraft dadurch aufgewandt werden, dass wenigstens ein Teil einer Formhälfte von wenigstens einem Teil der anderen Formhälfte entfernt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch einen Schichtverbund, der bevorzugt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, wobei die Polymerschicht einen porösen Schichtbereich aufweisen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Schichtverbundhalbzeug, das bevorzugt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, wobei die Polymerschicht einen porösen Schichtbereich aufweisen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Schichtverbundstrukturbauteil, das bevorzugt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, wobei die Polymerschicht einen porösen Schichtbereich aufweisen kann. Bevorzugt kann der poröse Schichtbereich zu der Verstärkungslage beabstandet sein und eine geringere Dichte aufweisen als ein zwischen dem poröse Schichtbereich und der Verstärkungslage liegender Bereich der Polymerschicht. Die Dichte kann bestimmt werden, indem definierte Polymerschichtvolumen aus dem porösen Schichtbereich und aus dem zwischen dem porösen Schichtbereich und der Verstärkungslage liegenden Bereich herausgeschnitten und gewogen werden. Anschließend wird die ermittelte Masse jeweils durch das jeweilige Polymerschichtvolumen geteilt.

Selbstverständlich können im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebene Merkmale auch Merkmale des erfindungsgemäßen Schichtverbunds, des erfindungsgemäßen Schichtverbundhalbzeugs oder des erfindungsgemäßen Schichtverbundstrukturbauteils bilden.

Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Lagenanordnung aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Verbindungsvorrichtung aus Fig. 1, welche die in Fig. 2 gezeigte Lagenanordnung enthält;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Formgebungsvorrichtung, welche einen darin formbaren Schichtverbund enthält; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines komplex geformten Schichtverbundstrukturbauteils.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbunds. Es wird eine Lagenanordnung 106 bereitgestellt, die in Fig. 2 näher dargestellt ist. Sie umfasst zwei Verstärkungslagen 110 und 120. Es handelt sich um faserverstärkte Verstärkungslagen. Die Lagenanordnung 106 umfasst auch eine Polymerlage 130 zwischen den beiden Verstärkungslagen 110 und 120. Die Polymerlage umfasst ein Polymermaterial 131.

Die Verstärkungslagen umfassen jeweils ebenfalls ein Polymermaterial 133. Das Polymermaterial 133 steht mit Oberflächen von Fasern der jeweiligen Verstärkungslage in Kontakt.

Auf einem Tragrost 184 wird die Lagenanordnung 106 in die in Fig. 1 ebenfalls gezeigte Verbindungsvorrichtung 180 eingebracht. Die Verbindungsvorrichtung 180 kann ein Ofen sein. Darin wird die Lagenanordnung 106 durch Erhitzen in einen Schichtverbund 102 überführt. In dem Schichtverbund umfasst die Polymerlage 130 eine verformbare Polymerschicht 132, welche die Verstärkungslagen 110 und 120 verbindet.

Anschließend wird der Schichtverbund 132 durch eine Fördervorrichtung 200 in eine Formhälfte 192 eines Formgebungswerkzeug 190 eingebracht und darin die Form des Schichtverbunds 132 durch Krafteinwirkung verändert, wie in Fig. 4 angedeutet ist.

Zwischen dem Verbindungswerkzeug 180 und dem Formgebungswerkzeug 190, insbesondere während der Schichtverbund 102 mit der Fördervorrichtung 200 in Kontakt steht, erfolgt keine aktive Kühlung des Schichtverbunds 102. Eine Kühlung erfolgt im Wesentlichen nur durch Abgabe von Wärme an die Luft, die den Schichtverbund umgibt.

Die mittlere Formgebungswerkzeugtemperatur kann z.B. 85 °C betragen. Die Verbindungswerkzeugtemperatur kann z.B. 181 °C betragen. Die Adaptionstemperaturdifferenz AT beträgt dann also 96 K. Die umgebende Luft kühlt die initial ca. 181 °C heiße Oberfläche des Schichtverbunds recht schnell ab.

Mit 181 °C erreicht die Oberfläche der Lagenanordnung 106 beim Erhitzen eine Temperatur von etwas mehr als 10 K oberhalb der Schmelztemperatur des in der Polymerlage 130 enthaltenen Polymermaterials 131. Von dem Entnehmen des Schichtverbunds 102 aus dem Verbindungswerkzeug 180 bis zu einem Einbringen des Schichtverbunds 102 in das Formgebungswerkzeug 190, kann es z.B. 9 Sekunden dauern. Die Temperaturadaptionszeit t beträgt also 9 Sekunden.

Der Adaptionstemperaturgradient beträgt folglich 10,67 K/s.

Bei Beginn der Krafteinwirkung zur Veränderung der Form des Schichtverbunds 102 im Formgebungswerkzeug kann die Temperatur im Inneren der Polymerschicht 132 deutlich höher sein als an einer Oberfläche des Schichtverbunds 102. Während an der Umgebungsluft die Oberfläche des Schichtverbunds schnell abkühlt, blieb die Temperatur im Inneren der Polymerschicht 132, die der Umgebungsluft nicht direkt ausgesetzt war, während der 9 Sekunden deutlich höher. Die Kerntemperatur in der verformbaren Polymerschicht von annähernd 181 °C kann eine Oberflächentemperatur des Schichtverbunds 102 beim Einbringen des Schichtverbunds 102 in das Formgebungswerkzeug 190 um etwa 10 K übersteigen.

Fig. 2 zeigt die Lagenanordnung 106 aus Fig. 1 deutlicher. Es handelt sich um eine Sandwich-Lagenanordnung 107, in der die Polymerlage 130 zwischen den Verstärkungslagen 110 und 120 angeordnet ist. Das in Fig. 1 gezeigte Verfahren ist also ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwich-Schichtverbunds.

Wie Fig. 3 zeigt, erfolgt das Erhitzen in dem Verbindungswerkzeug 180 in dem hier gezeigten Beispiel durch Heizelemente 182. Die Heizelemente 182 können Wärmestrahler sein. Das Verbindungswerkzeug könnte stattdessen auch ein Umluftofen sein. Der Tragrost 184 wurde in Fig. 3 weggelassen. Beim Erhitzen werden die Temperatur und die Dauer im gezeigten Beispiel so gewählt, dass das Polymermaterial 131 der Polymerlage 130 wenigstens so weit schmilzt, dass es sich mit den angrenzenden Oberflächen der Verstärkungslagen 110 und 120 verbindet.

Fig. 4 zeigt den Schichtverbund 102 in der Formhälfte 192, in die er durch die Fördervorrichtung 200 eingebracht wurde. Außerdem ist eine weitere Formhälfte 194 des Formgebungswerkzeugs 190 dargestellt. Die beiden dem Schichtverbund 102 zugewandten Oberflächen der beiden Formhälften 192 und 194 definieren die Form, die vom Schichtverbund 102 bei der folgenden Formgebung unter Krafteinwirkung im geschlossenen Formgebungswerkzeug 190 eingenommen wird. Aus der Formgebung im Formgebungswerkzeug 190 wird ein Sandwich- Schichtverbundhalbzeug erhalten, aus dem durch Nachbearbeitung ein Sandwich- Schichtverbundstrukturbauteil erhalten werden kann. Dabei kann es sich z.B. um ein Schichtverbundstrukturbauteil handeln, das sich zur Montage an einem Kraftfahrzeug unterhalb einer Traktionsbatterie eignet.

Fig. 5 illustriert, dass ein so erhältlicher (Sandwich-)Schichtverbund 102, 103 bzw. ein so erhältliches (Sandwich-)Schichtverbundstrukturbauteil 100, 101 komplexe Formen aufweisen kann. Mindestens ein Teil des Sandwich-Schichtverbundstrukturbauteils 101 kann z.B. einen Deckel, einen Boden oder eine Wand eines Gehäuses, insbesondere eines Gehäuses eines Energiespeichers, z.B. einer Batterie oder eines Tanks, bilden.

Das in Fig. 5 gezeigte Strukturbauteil 101 umfasst unterschiedliche Bereiche mit je einer Polymerschicht 132, die jeweils einen expandierten, porösen Schichtbereich 134 umfassen, sowie zwei Verstärkungslagen 110 und 120.

In dem stark expandierten Schichtverbundbereich 129 sind an den Verstärkungslagen 110 und 120 Zusatzverstärkungslagen 112 und 122 angeordnet.

In anderen Schichtverbundbereichen 127 und 128 sind nur Verstärkungslagen 110 und 120 angeordnet. Insbesondere in Schichtverbundbereich 127, in denen überhaupt keine Polymerschicht 132 vorliegt, aber auch in schwächer expandierten porösen Schichtverbundbereichen 128, in denen die Polymerschicht 132 einen geringeren Porenanteil aufweist als in stärker expandierten porösen Schichtverbundbereichen 129, sind im hier dargestellten Beispiel keine Zusatzverstärkungslagen 112 und 122 angebracht.

Das in Fig. 5 gezeigte Strukturbauteil kann mit einer Polymerschicht 132, die aufschäumbar ist, erhalten werden. Der Formgebungsschritt, d.h. das Verändern der Form des Schichtverbunds 102 durch Krafteinwirkung im Formgebungswerkzeug 190, umfasst ein Aufschäumen in den Schichtverbundbereichen 128 und 129 der Polymerschicht 132. Das Aufschäumen der Schichtverbundbereiche 128 und 129 wird durch eine Kraft befördert, welche die beiden zu diesen Schichtverbundbereichen 128 und 129 benachbarten Oberflächenbereiche der Polymerschicht 132 voneinander entfernt. Das Aufschäumen der Schichtverbundbereiche 128 und 129 erfolgt innerhalb des Formgebungswerkzeugs 190, das eine erste und eine zweite Formhälfte 192 und 194 umfasst, wobei die externe Kraft dadurch aufgewandt wird, dass wenigsten ein Teil einer Formhälfte 194 von der anderen Formhälfte 192 entfernt wird.

An mindestens einer Oberfläche einer Verstärkungslage 122 können Rippen 123 ausgebildet sein. Die Oberfläche der Verstärkungslage 120 kann außerdem angebundene Elemente 125 umfassen.

Bezugszeichenliste

Schichtverbundstrukturbauteil 100

Sandwich-Schichtverbundstrukturbauteil 101

Schichtverbund 102

Sandwich-Schichtverbund 103

Lagenanordnung 106

Sandwich-Lagenanordnung 107

Verstärkungslage 110

Zusatzverstärkungslage 112

Verstärkungslage 120

Zusatzverstärkungslage 122

Rippe 123 angebundenes Element 125 nicht expandierter Schichtverbundbereich 127 expandierter Schichtverbundbereich 128 stark expandierter Schichtverbundbereich 129

Polymerlage 130

Polymermaterial 131

Polymerschicht 132

Polymermaterial 133 porösen Schichtbereich 134

Verbindungswerkzeug 180

Heizelement 182

Trag rost 184

Formgebungswerkzeug 190

Formhälfte 192

Formhälfte 194

Fördervorrichtung 200