Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem thermoplastischen Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine derart hergestellte Blattfeder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Beispielsweise der EP 0 084 101 A2 ist es bekannt, dass Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff herstellbar sind. Solche Blattfedern haben gegenüber herkömmlichen Blattfedern aus metallischen Werkstoffen den Vorteil eines geringeren Gewichts und einer längeren Haltbarkeit. Durch die Wahl der Schichtendicken des Laminats sowie durch die jeweilige Ausrichtung der Fasern in einer Kunststoffmatrix kann die Federcharakteristik in weiten Grenzen beeinflusst werden.

Im Allgemeinen werden Blattfedern aus faserverstärkten Werkstoffen aus so genannten Nasslaminaten bzw. Prepregs hergestellt, die mit der gewünschten Faserausrichtung übereinander geschichtet sowie anschließend verpresst und ausgehärtet werden. Unter dem Begriff Prepreg wird bekanntermaßen ein Halbzeug bzw. ein Vorprodukt zur Herstellung von Gegenständen aus einem Faserverbundmaterial verstanden. Ein Prepreg besteht konventionell aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix. Dabei können die Endlosfasern unidirektional ausgerichtet sein oder als Gewebe oder Gelege vorliegen. Eine duroplastische Kunststoffmatrix besteht üblicherweise aus einer Mischung aus einem Kunstharz, einem Härter sowie einem Beschleuniger. Als Kunstharze kommen beispielsweise Harze auf der Basis von Epoxydharz oder Vinylesterharz zur Anwendung.

Zur Herstellung von Prepregs mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix werden die Fasern beispielsweise auf einem Träger abgelegt und anschließend mit dem Kunstharz benetzt. Auch eine Imprägnierung der Fasern mit dem noch

flüssigen Kunstharz vor deren Ablegen auf den Träger ist bekannt. Durch Kühlen des Prepregs wird das chemische Reagieren des Härters und des Beschleunigers mit dem Kunstharz so lange verhindert, bis das Prepreg zur Herstellung eines Endproduktes verwendet werden soll. So werden beispielsweise zur Herstellung einer Faserverbund-Blattfeder mehrere Prepreg-Lagen übereinander geschichtet und anschließend zugeschnitten. Durch ein dann folgendes Erwärmen dieses Werkstücks über die Reaktionstemperatur des Härters hinaus beginnt der Aushärtevorgang, der schließlich zu dem gewünschten Endprodukt führt. Sofern diese Erwärmung in einer Presse sowie in einem Autoklav bei atmosphärischem Unterdruck durchgeführt wird, lassen sich luftblasenfreie Endprodukte mit sehr hohem Faseranteil und vergleichsweise geringem Kunststoffmatrixanteil herstellen.

Um Prepregs in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugen zu können, muss einer diesbezüglichen Fertigungsvorrichtung ein Strang aus Endlosfasern zugeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Fasern in der gewünschten räumlichen Orientierung verbleiben. Die Faserverteilung soll dabei also üblicherweise homogen sein. Zudem soll bei der Zuführung und Weiterverarbeitung des Faserstranges ein möglichst geringer Faserbruch eintreten.

Außerdem soll der Faserstrang bevorzugt mit der genannten duroplastischen Kunststoffmatrix, also der Mischung von zumindest Kunstharz, Härter und Beschleuniger, benetzt werden. Dabei ist es wichtig, dass die Verteilung der duroplastischen Kunststoffmatrix gleichmäßig erfolgt bzw. alle Fasern des Faserstranges von der Kunststoffmatrix imprägniert werden. Zudem darf nicht zuviel der Kunststoffmatrix auf den Faserstrang gelangen, da dieses ein seitliches Ablaufes der überschüssigen Flüssigkeit in unerwünscht großem Umfang zur Folge hätte.

Sofern der erzeugte Prepreg-Strang in gewünschte Längsstücke geschnitten oder zu einer Rolle aufgewickelt und anschließend zwischengelagert

werden soll, ist der Faserstrang bei der Herstellung des Prepreg-Stranges bevorzugt an seiner Unterseite und an seiner Oberseite mit einer Abdeckmaterialbahn abzudecken. Beim Auflegen dieser Abdeckmaterialbahnen auf den Faserstrang kann es dazu kommen, dass die Fasern der oberen und/oder der unteren Faserlage des Faserstranges in nicht gewollter Weise quer zu Längserstreckung des Faserstranges gefaltet werden. In einen Faserverbund- Endprodukt tragen derart gefaltete Fasern nur wenig zu den gewünschten Materialeigenschaften bei, weshalb eine solche Faserfaltung vermieden werden soll.

Eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, sowie eine Verfahren zur Herstellung derselben ist beispielsweise aus der DE 10 2004 010 768 A1 bekannt. Von besonderer Bedeutung bei dieser Faserverbund-Blattfeder ist, dass die axialen Enden eines zentralen Längsabschnitts hinsichtlich der Blattfederbreite sich verjüngend ausgebildet sind, wobei die axial ausgerichteten Fasern des Faserverbundwerkstoffes ungekürzt bis zur Abschlusskante der Blattfeder geführt sind. In dieser Druckschrift ist beschrieben, dass die Herstellung der Blattfeder mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix erfolgt, die bei der Einwirkung von Wärme aushärtet.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 052 136 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs bekannt, bei dem ein Faserstrang aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern mit einer noch nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix benetzt sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckmaterialbahn abgedeckt wird, und bei dem der mit den Abdeckmaterialbahnen abgedeckte kunststoff- matriximprägnierte Faserstrang schließlich als Prepreg in vorbestimmte Längen abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird.

Um bei der Herstellung der Prepregs zu erreichen, dass die Fasern in einer gewünschten Ausrichtung in eine diesbezügliche Fertigungsvorrichtung gelangen und dort mit einer unteren und einer oberen Abdeckmaterialbahn

belegt werden, dass die noch nicht abgebundene Kunststoffmatrix in ausreichender Menge zu allen Fasern des Faserstranges gelangt, dass Faserbruch minimiert wird, und dass eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges vermieden wird, ist zudem vorgesehen, dass der Faserstrang mit der nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix und den beiden Abdeckmaterialbahnen auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch zusammengeführt wird.

Dem bekannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Zusammenführen des Faserstranges mit einer unteren und/oder einer oberen kunststoffmatrixbelegten Abdeckmaterialbahn oder einem anderen flexiblen Fiächengebilde auf einem Heiztisch mit einer konvex geformten Oberfläche alle genannten Anforderungen für die Herstellung eines optimalen Prepregs erfüllbar sind.

Die DE 10 2006 052 136 A1 offenbart auch eine Vorrichtung, mit der das gerade geschilderte Produktionsverfahren durchführbar ist. Demnach ist die Vorrichtung zur Herstellung von Prepregs aus einem Faserstrang mit zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern und mit zwei kunststoffmatrixbeleg- baren Abdeckmaterialbahnen durch zumindest folgende Merkmale gekennzeichnet:

Einen Heiztisch und eine Ablegrolle zur Führung und Ablage einer oberen Abdeckmaterialbahn auf den Faserstrang, eine konvex gekrümmte Heiztischoberfläche zur Führung einer unteren Abdeckmaterialbahn und des Faserstranges, und zumindest drei Heizzonen an dem Heiztisch zum Aufheizen der Abdeckmaterialbahnen, der duroplastischen Kunststoffmatrix und des Faserstrangs, wobei die Krümmungsgeometrie der Oberfläche des Heiztisches sowie die Oberflächentemperaturen der zumindest drei Heizzonen derart gewählt sind, dass die Normalkraftkomponente einer auf den Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen wirkenden Zugkraft die flüssige Kunststoff-

matrix von zumindest einer der Abdeckmaterialbahnen zu den Oberflächen aller Fasern im Faserstrang führt.

Außerdem ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 052 137 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem duroplastischen Faserverbundwerkstoff bekannt, mit dem qualitativ hochwertige Blattfeder herstellbar sind. Insbesondere soll mit dem dortigen Verfahren erreicht werden, dass die Fasern in der Blattfeder einer gewünschten Ausrichtung vorliegen, dass die noch nicht abgebundene duroplastische Kunststoffmatrix in der Blattfeder in ausreichender Menge zu allen Fasern gelangt, dass der Umfang von Faserbruch in der Blattfeder minimiert wird, und dass eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges zumindest weitgehend vermieden wird.

Das bekannte Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

Abdecken der Oberseite und der Unterseite eines Faserstranges, der aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern besteht, mit zumindest einer Abdeckmaterialbahn.

Benetzen der Fasern des Faserstranges mit einer noch nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix.

Erwärmen des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten Faserstranges zur Imprägnierung der Fasern des Faserstranges mit der noch nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix.

Abkühlen des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges. Abschneiden des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges zu einzelnen Prepregs.

Ablegen von mehreren Lagen Prepregs vertikal übereinander auf einer konvex gekrümmten Oberfläche zu einer Roh-Blattfeder. Kühlen der Roh-Blattfeder auf einer konvex gekrümmten Oberfläche. Pressen der Roh-Blattfeder in einer Presse zu einer gepressten Roh- Blattfeder.

Erwärmen der gepressten Roh-Blattfeder.

Endbearbeitung der gepressten Roh-Blattfeder zur fertigen Blattfeder, wobei bei allen Fertigungsschritten vorbestimmte Temperaturen an dem jeweiligen Werkstoff oder an dem jeweiligen Zwischenprodukt eingestellt werden, und bei dem die jeweiligen Temperaturen über vorbestimmte Zeiträume aufrechterhalten werden.

Zudem ist es bekannt, Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, der einen thermoplastischen Werkstoff nutzt. So beschreibt die DE 102 60 060 A1 eine Blattfeder für ein Kraftfahrzeug, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sein kann, zu denen Verbundwerkstoffe, Metalle, Metall- Metall-Gussverbunde und Kunststoff-Metall-Hybrid-Werkstoffe gehören können. Wenngleich in dieser Druckschrift erwähnt wird, dass die Blattfeder aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff hergestellt sein kann, so sind über deren inneren Aufbau oder über deren Herstellung keine Angaben gemacht.

Schließlich ist aus der JP 63 225 738 A eine Blattfeder für ein Fahrzeug bekannt, die aus einem mehrlagigen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Bestimmte Werkstofflagen dieser Blattfeder dienen zur Vibrationsdämpfung und bestehen aus einem viscoelastischen Material, beispielsweise einem Thermoplast, wie beispielsweise Polyethylen, verschiedene Schäume, Elastomere und Gummi.

Zur Weiterentwicklung dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff vorzustellen, mit dem ebenfalls die eingangs beschriebenen technischen Probleme gemeistert werden können und eine qualitativ hochwertige Blattfeder möglichst preiswert herstellbar ist. So soll insbesondere erreicht werden, dass die Fasern in der Blattfeder in einer gewünschten Ausrichtung vorliegen, dass die noch nicht abgebundene Kunststoffmatrix in der Blattfeder in ausreichender Menge zu allen Fasern gelangt, dass der Umfang von Faserbruch in der Blattfeder minimiert wird, und dass eine Faltung der

Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges zumindest weitgehend vermieden wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Aufbau einer derart hergestellten Faserverbund-Blattfeder zu beschreiben.

Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff dann den im Automobilbau herrschenden sehr hohen Qualitätsanforderungen gerecht werden kann und zudem vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist, wenn deren Faserverbundwerkstoff unter Verwendung zumindest eines thermoplastischen Werkstoffs hergestellt wird.

Wie eingangs geschildert wurde, ist die sichere Handhabung eines duroplastischen Kunststoffes bei der Herstellung eines diesbezüglichen Faserverbundwerkstoffes bzw. zur Herstellung einer bekannten Faserverbund-Blattfeder an die Einhaltung vieler Verfahrensparameter gebunden. Zu diesen gehören das Mischungsverhältnis von Kunstharz, Härter und Beschleuniger sowie die Einhaltung von vorgegebenen oberen und unteren Temperaturgrenzwerten, um eine für den Herstellprozess brauchbare Viskosität der duroplastischen Kunststoffmatrix zu gewährleisten und ein zu frühzeitiges und ungewolltes Aushärten zu vermeiden.

Der Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs bei der Herstellung einer Faserverbund-Blattfeder ist dagegen vergleichsweise einfach und daher sehr vorteilhaft, da bei der Verarbeitung dieses Kunststoffs lediglich eine Verfestigungstemperatur bzw. Schmelztemperatur berücksichtigt werden muss.

Die Erfindung betrifft demnach zunächst ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

- Schmelzen eines thermoplastischen Kunststoffs,

- Benetzen eines Faserstranges aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern mit dem aufgeschmolzenen Kunststoff,

- Abdecken des Faserstranges an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit zumindest einer Abdeckmaterialbahn, wobei der kunststoff benetzte Faserstrang mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch zusammengeführt wird,

- Abschneiden des mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffbenetzte Faserstrangs als Prepreg in vorbestimmte Längen,

- Ablegen einer vorbestimmten Anzahl von Prepreg-Lagen auf einer Ablagefläche einer beheizbaren Formpresse, und

- Pressen der Prepreg-Lagen in der Formpresse unter Einwirkung von vorbestimmten und werkstoffabhängigen Temperatur- und Druckverläufen über die Zeit derart, dass nach dem Pressvorgang eine ausgehärtete Faserverbund-Blattfeder vorliegt.

Diese Verfahrensmerkmale verdeutlichen zwei für die Erfindung wesentliche Dinge. Zum einen wird durch das Zusammenführen des Faserstranges und der zumindest einen Abdeckmaterialbahn auf dem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch erreicht, dass sich der thermoplastische Kunststoff optimal in dem Faserstrang verteilen kann, ohne dass es dabei zu ungewollten Faserbruch oder zu Faserfaltungen bzw. Querausrichtungen von Fasern zu der Längserstreckung des Faserstrangs kommt. Außerdem wird der mit dem thermoplastischen Kunststoff benetzte Faserstrang durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn oben, unten und seitlich so eingepackt, dass die Formstabilität eines derart hergestellten Prepregs erhöht und ein späteres Abfließen von überschüssigen thermoplastischen Kunststoff in einer Formpresse begünstigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf der zumindest einen Abdeckmaterialbahn vor deren Kontakt mit dem Faserstrang auf der zu dem Faserstrang weisenden Seite der noch schmelzflüssige thermoplastische Kunststoff aufgetragen wird. Durch diese Maßnahme wird die benötigte Menge an verflüssigtem thermoplastischem Kunststoff gezielt erst dann dem Faserstrang zugeführt, wenn dieser und die zumindest eine Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche des Heiztisches zusammengeführt werden.

Alternativ dazu oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass der thermoplastische Kunststoff direkt auf die Fasern des Faserstrangs aufgetragen wird, oder dass der Faserstrang durch einen Behälter mit einer Ansammlung von thermoplastischem Kunststoff hindurch gezogen wird, bevor der Faserstrang mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn zusammengeführt wird.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn abgedeckte Faserstrang auf dem Heiztisch auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs aufgeheizt oder auf diesen gehalten wird, sowie mit einer aus der auf den Faserstrang und die zumindest eine Abdeckmaterialbahn wirkende Zugkraft sowie aus der Krümmung der Tischoberfläche resultierenden Normalkraft derart beaufschlagt wird, dass der thermoplastische Kunststoff zu allen einzelnen Fasern fließt und diese benetzt.

Weiter wird bevorzugt, dass als Werkstoff für die zumindest eine Abdeckmaterialbahn ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird, dessen Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt desjenigen thermoplastischen Kunststoffs, mit dem alle Fasern des Faserstranges benetzt werden. Dadurch wird erreicht, dass die zumindest eine Abdeckmaterialbahn bei einem Zusammenführen mit dem anderen, schmelzflüssig heißen thermoplastischen Kunststoff noch weitgehend fest bleibt und so zur mechanischen Stabilität eines

derart hergestellt Prepregs, etwa für dessen Weitertransport, vorteilhaft beiträgt.

Gemäß einem weiteren Verfahrensmerkmal kann vorsehen sein, dass eine untere Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche des Heiztisches und eine obere Abdeckmaterialbahn um eine Ablegrolle geführt wird, bevor diese beiden Abdeckmaterialbahnen mit dem Faserstrang im Bereich des Heiztisches in Kontakt gelangen.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Auflegkraft der Auflegrolle kleiner ist als die Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft, mit der der Faserstrang zusammen mit den Abdeckmaterialbahnen über den Heiztisch gezogen wird. Diese Aufteilung der Kräfte bewirkt, dass die Durchdringung des Faserstranges mit thermoplastischem Kunststoff sehr schonend erfolgt, so dass Faserbruch und Faserfaltungen gering gehalten werden können.

Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass der Heiztisch beheizt wird und zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei unterschiedliche Heizzonen mit unterschiedlichen Temperaturen aufweist. Dadurch ist eine gezielte Einfluss- nahme auf die Temperatur des Stranges aus Fasern, thermoplastischem Kunststoff und Abdeckmaterialbahnen in derjenigen entscheidenden Phase der Blattfederherstellung möglich, in der diese Blattfeder-Werkstoffe zusammengeführt werden.

In Ausgestaltung dieses Verfahrensmerkmals kann vorgesehen sein, dass dort, wo die untere Abdeckmaterialbahn erstmals den Heiztisch berührt, die Oberfläche des Heiztisches eine mittlere Temperatur aufweist, die niedriger ist als die Temperatur in der kühlsten Heizzone. Außerdem wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn der durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffdurchdrungene Faserstrang unmittelbar hinter dem Heiztisch, also hinter dessen auslaufseitigem Ende, eine mittlere Temperatur aufweist, die niedriger ist als die Temperatur in der heißesten Heizzone.

Gemäß einem anderen Verfahrensmerkmal kann vorgesehen sein, dass der durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffdurchdrungene Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Heiztisch entlang der Oberfläche eines Kühltisches geführt und dort abgekühlt wird. Dabei ist es sinnvoll, wenn der durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und kunststoffdurchdrungene Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Kühltisch eine mittlere Temperatur aufweist, die über der Schmelztemperatur des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs liegt.

Die Transportgeschwindigkeit V des Faserstrangs und der zumindest einen Abdeckmaterialbahn beträgt beispielsweise zwischen 0,05 m/s und 0,2 m/s.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffdurchdrungene Faserstrang im Bereich des auslaufseitigen Endes des Heiztisches von zumindest einer Glättrolle mit einer Kraft beaufschlagt wird, die kleiner oder gleich groß ist wie die Auflagekraft F1 der Auflegrolle und kleiner ist als die Normalkraftkomponente der Zugkraft auf den abgedeckten Faserstrang. Die Glättrollen sorgen lediglich für eine glatte Oberfläche der auf der Oberseite des Faserstranges abgelegten Abdeckmaterialbahn.

Die Fasern des Faserstranges sind bevorzugt unidirektional ausgerichtet oder als Gewebe oder als Gelege angeordnet sowie als Glasfasern, Kohlen- stofffasem oder Aramidfasem ausgebildet.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass bei geschlossener und unter Druck gesetzter Formpresse in einem bestimmten Zeitraum tθ bis t1 die Temperatur der übereinander geschichteten Prepreg- Lagen bis über die Schmelztemperatur T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs angehoben wird, dass nach einem weiteren be-

stimmten Zeitraum t1 bis t2 die Temperatur der übereinander geschichteten Prepreg-Lagen über die Schmelztemperatur T8 der zumindest einen thermoplastischen Abdeckmaterialbahn angehoben wird, und dass danach in einem weiteren Zeitraum t5 bis t6 die Temperatur der Prepreg-Lagen unter die unterschiedlichen Schmelztemperaturen T7 und T8 der beiden thermoplastischen Kunststoffe gebracht wird. Dadurch wird erreicht, dass sich der alle Fasern benetzende thermoplastische Kunststoff und der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Abdeckmaterialbahn vor dem abschließenden Aushärten der Blattfeder schmelzflüssig vermischen und so keine Inhomogenitäten in der Blattfeder einstellen.

Ergänzend kann das Verfahren so ablaufen, dass nach dem Aufheizen des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs über dessen Schmelztemperatur T7 die Temperatur der Prepreg-Lagen über einen bestimmten Zeitraum t3 bis t4 unter, vorzugsweise dicht unter der Schmelztemperatur T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs gehalten wird.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, der zumindest parallel zueinander ausgerichtete Faser aufweist, die in einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind. Diese Blattfeder ist aus mehreren übereinander geschichteten Lagen von Prepregs aufgebaut, wobei die Prepregs jeweils aus einem Faserstrang mit in Längsrichtung parallel zueinander ausgerichteten Faser bestehen, die in dem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind, und bei denen die Oberseite und die Unterseite des Faserstrangs von zumindest einer Abdeckmaterialbahn aus einem thermoplastischen Kunststoff abgedeckt ist. Außerdem ist bei dieser Blattfeder vorgesehen, dass die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der zumindest einen Abdeckmaterialbahn über der Schmelztemperatur desjenigen thermoplastischen Kunststoffs liegt, mit dem alle Fasern des Faserstrangs benetzt sind.

Der alle Fasern benetzende thermoplastische Kunststoff besteht vorzugsweise aus Polypropylen, Polyamid, Polyamid 6.6 oder Polybutylente- rephthalat.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, mit der ein Ausführungsbeispiel erläutert wird. In dieser zeigt

Fig. 1 einen stark schematisierten Fertigungsablaufplan zur Herstellung einer Faserverbundblattfeder, und

Fig. 2 einen Temperaturverlauf über der Zeit bei der Herstellung der Faserverbundblattfeder in der Formpresse gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt demnach in schematischer Darstellungsweise eine Produktionsanlage 1 zur Herstellung von Blattfedern 25 aus einem Faserverbundmaterial. Zu Beginn des Produktionsablaufs wird der Produktionsanlage 1 ein Faserstrang 2 aus parallel zu deren Längserstreckung ausgerichteter Glasfasern kontinuierlich zugeführt. Vor Erreichen des eingangsseitigen Abschnittes 16 eines Heiztisches 6 wird der Faserstrang 2 mit einem thermoplastischen Kunststoff 14 belegt, der später alle Fasern des Faserstrangs 2 benetzen wird.

Das Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs 14 erfolgt in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel über eine als Extruder ausgebildet Zuführeinrichtung 13, dem der Kunststoff eingangsseitig in Form eines Granulats zugeführt wird, und der ausgangsseitig mit einer Düse ausgestattet ist, die eine optimale Ablage des geschmolzenen Kunststoffs 14 auf dem Faserstrang 2 gestattet. Ein zweiter Strom von schmelzflüssigem Kunststoff 14 wird auf einer oberen Abdeckmaterialbahn 3 abgelegt, und zwar derart, dass der Kunststoff 14 auf derjenigen Seite der Abdeckmaterialbahn 3 zu liegen kommt, welche später dem Faserstrang 2 zugewandt ist.

Eine zweite, untere Abdeckmaterialbahn 4 wird der Produktionsanlage 1 unterhalb des Faserstranges 2 zugeführt. Während diese untere Abdeckmate-

rialbahn 4 über den eingangsseitigen Abschnitt 16 des Heiztisches 6 zu dem Faserstrang 2 geführt und dort gegebenenfalls mit einer vorzugsweise über der Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14 liegenden Tischtemperatur T1 vorgewärmt wird, gelangt die obere Abdeckmaterialbahn 3 über eine Auflegrolle 5 unter einer Umkehr ihrer Bewegungsrichtung in den Bereich des Faserstranges 2.

Die beiden Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 und der Faserstrang 2 werden auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 15 des Heiztisches 6 zusammengeführt, wobei die Auflegrolle 5 die obere Abdeckmaterialbahn 3 mit einer vergleichsweise geringen Kraft F1 auf den thermoplastbelegten Faserstrang 2 drückt. Die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 ist so gering, so dass sichergestellt ist, dass durch deren Anpresskraft kein oder nur ein verhältnismäßig geringer Faserbruchanteil entsteht.

Dadurch, dass die Kombination aus dem thermoplastbelegten Faserstrang 2 und den beiden Abdeckmaterialfolien 3, 4 mit einer Geschwindigkeit V und einer Zugkraft F6 über die konvex gekrümmte Oberfläche 15 des Heiztisches 6 gezogen werden, wirkt aus der Zugkraft F6 eine Normalkraft F2, welche die beiden Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 mit dem Kunststoff 14 und die Fasern des Faserstranges 2 in Richtung zu der Oberfläche 15 des Heiztisches 6 drückt. Dabei durchdringt der erhitzte thermoplastische Kunststoff 14 den Faserstrang 2, so dass alle seine Fasern schonend und vergleichsweise langsam mit demselben imprägniert werden. Eine ausreichend große Tischlänge verbunden mit einer auch diesbezüglich angepassten Transportgeschwindigkeit V von beispielsweise 0,05 m/s bis 0,2 m/s sorgen dafür, dass trotz der vergleichsweise geringen Normalkraft F2 der Faserstrang 2 vollständig von der Kunststoffmatrix 14 durchdrungen wird.

Das Zusammenführen des Faserstranges 2 und der beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt auf der konvex gekrümmten Oberfläche 15 des Heiztisches 6 im Bereich einer ersten Heizzone S1 von drei Heizzonen S1, S2 und

S3 desselben. Diese Heizzonen sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Heizung oder Warmwasserheizung ausgestattet, welche eine vergleichsweise genaue Einstellung der Temperatur der Heiztischoberfläche 15 in den jeweiligen Heizzonen S1, S2 und S3 gewährleisten. Dadurch ist es möglich, den thermoplastischen Kunststoff 14 zwischen den beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 stufenweise so zu temperieren, dass dieser beispielsweise in der ersten Heizzone S1 und der zweiten Heizzone S2 Temperaturen T2 und T3 aufweist, die deutlich über seiner Schmelztemperatur T7 liegen. Die jeweils optimale Temperatur im Bereich der Heizzonen ist abhängig von den gewählten Werkstoffen der Blattfeder und individuell einzustellen.

Die drei Heizzonen S1 , S2 und S3 ermöglichen jedenfalls eine systematische Temperaturführung insbesondere des thermoplastischen Kunststoffs 14, wobei zunächst eine gezielte Temperaturerhöhung und damit Viskositätserhöhung durchgeführt wird, welche das Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit dem Kunststoff 14 erleichtert.

Der Transport des Kunststoffs 14 von der oberen und gegebenenfalls der unteren Abdeckmaterialbahn 3, 4 in die Tiefe des Faserstrangs 2 hin zu jeder einzelnen Faser erfolgt im Wesentlichen hinter der Ablegrolle 5, wenn die Kompositstruktur aus Faserstrang 2, Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und Kunststoff 14 mit einer auf diese wirkende Zugkraft F6 über den konvex gekrümmten Heiztisch 6 mit seinen drei unterschiedlichen Heizzonen S1, S2 und S3 gezogen wird.

Dadurch, dass bei dem Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit dem Kunststoff 14 keine Anpress- oder Kalanderwalzen mit vergleichsweise hohen Anpressdrücken verwendet werden, ist der zu verzeichnende Faserbruch vorteilhaft klein. Da alle Fasern des Faserstranges 2 sowie die obere Abdeckmaterialbahn 3 und die untere Abdeckmaterialbahn 4 mit der gleichen Transportgeschwindigkeit V über den Heiztisch 6 gezogen werden, entstehen keine bzw. nur vernachlässigbare Relativgeschwindigkeiten dieser Elemente

gegeneinander, so dass die eingangs erläuterte Faserfaltung nicht oder nur unwesentlich auftritt.

Anschließend kann die Temperatur des thermoplastischen Kunststoffs 14 zwischen den beiden Abdeckmaterialfolien 3, 4 und im Faserstrang 2 in der dritten Heizzone S3 auf einen Wert T4 reduziert werden, der geringer ist als die Temperaturen T2 und T3 der eingangsseitigen und der mittleren Heizzone S1 und S2, jedoch immer noch oberhalb der Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt.

Da die Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff bestehen, dessen Schmelztemperatur T8 über der Schmelztemperatur desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt, mit dem alle Fasern des Faserstranges 2 benetzt wurden, bleiben diese zunächst noch unversehrt und tragen zur mechanischen Stabilität des zu produzierenden Prepreg-Stranges 11 bei.

In Transportrichtung gesehen hinter der Ablegrolle 5 und vor dem aus- gangsseitigen Ende des Heiztisches 6, im Bereich der dritten Heizzone S3, verfügt die Fertigungsvorrichtung 1 über drei Glättrollen 7, 8 und 9, die mit einer vergleichsweise geringen Auflagekraft bzw. Glättkraft F3, F4, F5 auf die Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 drücken und dadurch ein Glätten derselben durchführen. Ein solches Glätten der Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 kann sinnvoll sein, da die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 verhältnismäßig gering ist.

Beim Verlassen des Heiztisches 6 liegt die mittlere Temperatur T5 des abgedeckten und kunststoffdurchtränkten Prepreg-Stranges 11 in diesem Ausführungsbeispiel gering über der Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14. Um diese Temperatur weiter abzusenken und um insbesondere gut handhabbare, aus dem Prepreg-Strang 11 abgelängte Prepreg-Stücke 20 bereit stellen zu können, wird dieser Strang 2 aus Fasern, Abdeckmaterialbah-

nen 3, 4 und thermoplastischen Kunststoff 14 in einem weiteren Verfahrensschritt über die gekühlte Oberfläche eines Kühltisches 10 gezogen.

Der mit dem Kunststoff 14 imprägnierte Prepreg-Stranges 11 weist beim Verlassen des Kühltisches 10 eine mittlere Temperatur T6 auf, die noch gering über der Schmelztemperatur T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt. Eine hinter dem Kühltisch 10 angeordnete Schneidevorrichtung in Form eines Messers 23 trennt Abschnitte von vorgegebener Länge als Prepregs 20 aus diesem Endlosstrang 11 ab.

Die Prepregs 20 werden anschließend auf konvex gekrümmten Ablageflächen zwischengelagert oder zu einer Formpresse 24 transportiert. In der Formpresse 24 wird eine gewünschte Anzahl von Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" auf einer konvex gekrümmten Matrize 21 übereinander gestapelt und anschließend von einer Patrize 22 der Formpresse 24 in eine Geometrie gepresst, die einer abschließend gegebenenfalls noch fein zu bearbeitenden Faserverbund- Blattfeder 25 entspricht.

Um in der Formpresse 24 eine Blattfeder 25 mit einem möglichst geringen Kunststoffanteil, einen möglichst hohen Faseranteil sowie ohne Grenzschichten im Kunststoff herzustellen, wird der Stapel mit den Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" beim Pressen einer Temperaturbehandlung unterzogen, die in von Fig. 2 veranschaulicht ist. Demnach wird spätestens nach dem Schließen der Formpresse in einem Zeitraum tθ bis t1 die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" auf einen Wert angehoben, der über der Schmelztemperatur T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt und bis zu einem Zeitpunkt t3 aufrechterhalten wird. Dadurch wird der thermoplastische Kunststoff 14 schmelzflüssig gehalten oder erneut aufgeschmolzen, so dass überschüssiger Kunststoff unter dem Pressdruck aus den Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" austreten und die Formpresse 24 verlassen kann. Dabei tritt auch gegebenenfalls noch eingeschlossene Luft aus dem Formkörper aus.

Da die Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff bestehen, dessen Schmelztemperatur T8 über der Schmelztemperatur desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt, mit dem alle Fasern des Faserstranges 2 benetzt wurden, bleiben diese mechanisch zunächst noch intakt.

Eine im Zeitpunkt t2 beginnende Absenkung der Temperatur der Pre- preg-Lagen 20', 20", 20'" knapp unter die Schmelztemperatur T7 des Kunststoffs 14 im Zeitraum t3 bis t4 kann als eine Reifephase genutzt werden, sofern dies gewünscht oder notwenig ist.

Im Anschluss daran wird die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" in einem Zeitraum t4 bis t6 auf einen Wert angehoben, der über der Schmelztemperatur T7 desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt, mit dem alle Fasern des Faserstrangs 2 benetzt sind, und außerdem in einem ausreichend langem Zeitraum um den Zeitpunkt t5 herum die Schmelztemperatur T8 des thermoplastischen Kunststoffs der beiden Abdeckmateriallagen 3, 4 übertrifft. Dadurch schmilzt der Werkstoff der Abdeckmateriailagen 3 und 4, so dass sich dieser thermoplastischen Kunststoff mit dem anderen thermoplastischen Kunststoff 14 unter dem Druck der Formpresse 24 schmelzflüssig verbindet.

Abschließend wird die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20", 20'" bis zu einem Zeitpunkt t7 unter die Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14 abgesenkt und die Roh-Blattfeder 25 der Formpresse 24 zu einer gegebenenfalls notwenigen Endbearbeitung entnommen.

Bezuqszeichen

1 Fertigungsvorrichtung

2 Faserstrang; Faser

3 Obere Abdeckmaterialbahn

4 Untere Abdeckmaterialbahn

5 Auflegrolle

6 Heiztisch

7 Glättrolle

8 Glättrolle

9 Glättrolle

10 Kühltisch

11 Prepreg-Strang

12 Zuführvorrichtung für geschmozenen Kunststoff

13 Zuführvorrichtung für den geschmozenen Kunststoff, Extruder

14 Geschmozenen Kunststoff

15 Heiztischoberfläche

16 Eingangseitiger Abschnitt des Heiztisches

20 Abgeschnittener Prepreg 20' Prepreg-Lage

20" Prepreg-Lage

20'" Prepreg-Lage

21 Konkav gekrümmte Matrize der Formpresse

22 Konvex gekrümmte Patrize der Formpresse

23 Messer

24 Formpresse

25 Blattfeder

F1 Auflegkraft der Auflegrolle 5

F2 Normalkraftanteil der Zugkraft F6 auf den Strang 11

F3 Andrückkraft der Glättrolle 7

F4 Andrückkraft der Glättrolle 8

F5 Andrückkraft der Glättrolle 9

F6 Zugkraft

51 Eingangsseitige Heizzone des Heiztisches

52 Mittlere Heizzone des Heiztisches

53 Ausgangsseitige Heizzone des Heiztisches

T1 Mittlere Temperatur des eingangsseitigen Abschnitts 16

T2 Mittlere Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S1

T3 Mittlere Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S2

T4 Mittlere Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S3

T5 Mittlere Temperatur des Prepreg-Stranges hinter dem Heiztisch

T6 Mittlere Temperatur des Prepreg-Stranges hinter dem Kühltisch

T7 Schmelztemperatur des Kunststoffs 14

T8 Schmelztemperatur des Kunststoffs der Abdeckmaterialbahnen

T Temperatur t Zeit