Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches Kunststofffaserverbundbauteil und dessen Verwendung.

Kunststofffaserverbundmaterialien kombinieren die Eigenschaften von Fasern und einer Kunststoffmatrix. Dadurch entsteht ein Material mit hoher Festigkeit und Steifigkeit bei niedrigem Gewicht, hoher Bruchzähigkeit und geringer thermischer Ausdehnung. Allerdings ist die Fertigung sehr aufwendig, und insbesondere die Herstellung komplexer Bauteile sehr zeit-, material- und damit kostenintensiv.

Viele Kunststofffaserverbundbauteile müssen sehr hohen Kräften standhalten und es bestehen dementsprechend hohe mechanische Anforderungen, z.B. hinsichtlich Stabilität, Steifigkeit und Bruchzähigkeit. Gleichzeitig haben viele Bauteile bestimmungsgemäß komplexe Geometrien, und sie sollen sehr leicht sein. Ein solches Anforderungsprofil besteht z.B. für Lüfterräder und Pumpenlaufräder, für Düsen, für Teile großer Designelemente wie z.B. Kulissen, insbesondere Filmkulissen und für Formwerkzeuge, wie sie zum Laminieren, Pressen oder Tiefziehen bei der Herstellung oder Umformung von kunststoffhaltigen Materialien verwendet werden.

Auf Lüfterräder und Pumpenlaufräder wirken hohe Radialkräfte. Sie weisen außerdem komplexe Geometrien mit strömungsoptimierten Leitelementen auf und sollen zugleich sehr leicht sein, da dies den Energieaufwand bei der Beschleunigung verringert.

In Düsen wirken wegen des im Inneren der Düse vorherrschenden Drucks Kräfte auf die Außenwand der Düse. Auch hier sind komplexe Geometrien erforderlich, z.B. um einen bestimmten Sprühkegel ganz gezielt einzustellen. Designelemente wie z.B. Filmkulissen sind oft sehr groß, so dass die oberen Bereiche der Kulissen große (Schwer)Kräfte auf untere Bereiche der Kulissen ausüben können. Kulissen sind komplex geformt - häufig geben sie die Oberflächen von Gebäuden detailgetreu wieder. Sie müssen außerdem leicht sein, da Kulissentransport und -aufbau sonst unnötig erschwert würden.

Bekannte Kunststofffaserverbundbauteile erfüllen dieses Anforderungsprofil gerade im Hinblick auf Kosteneffizienz nicht oder nicht in hinreichendem Maße, so dass großer Verbesserungsbedarf besteht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Kunststofffaser verbundbauteil bereitzustellen, das dort großen Kräften standhält, wo sie auf das Kunststofffaserverbundbauteil wirken, das mit geringem Aufwand in komplexer Geometrie erzeugt werden kann und das außerdem in geringer Dichte ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofffaserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines kohlenstoffbasierten und/oder keramischen Körpers, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Verbinden des Körpers mit einem faserhaltigen Verstärkungselement durch ein Fügebindemittel.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper stellt einen kohlenstoffbasierten Körper und/oder einen keramischen Körper dar. Für den keramischen Körper kommt prinzipiell jede Keramik in Betracht, die mittels additiver Fertigung ausgehend von einem Pulver (und Binder) in einen Körper überführt werden kann. Vorzugsweise steht Keramik hierin für Siliziumcarbid. Der Körper unterliegt aber keinen besonderen Einschränkungen. Er könnte als Keramik Sand oder Aluminiumoxid, S1O2 oder ähnliches enthalten und/oder unter Verwendung dieser Materialien additiv gefertigt sein.

Der in a) bereitgestellte Körper kann bevorzugt ein kohlenstoffbasierter und/oder siliziumcarbidbasierter Körper sein, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist. Mit kohlenstoffbasiertem Körper können erfindungsgemäße Kunststoff faserverbundbauteile mit besonders niedrigem Gewicht preiswert hergestellt werden. Sie haben außerdem eine geringe thermische Ausdehnung, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Korrosionsstabilität und gute chemische Resistenz. Der siliziumcarbidbasierte Körper sorgt hingegen für eine besondere Härte und Abrasionsfestigkeit sowie hohe Korrosionsstabilität bei nur geringfügig höherem Gewicht.

Die Angabe, dass der Körper kohlenstoffbasiert und/oder keramisch, z.B. siliziumcarbidbasiert ist, bedeutet, dass der Körper mindestens zu 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens zu 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% aus Kohlenstoff und/oder Keramik, z.B. Siliziumcarbid, besteht. Die hier angegebenen Massenanteile beziehen sich auf den Körper, wie er aus der additiven Fertigung erhalten wird, also noch vor der Anbringung des Verstärkungselements und vor einer Infiltration des Körpers mit weiterer Substanz. Das bei der additiven Fertigung entstehende Gefüge besteht also mindestens zu den hier in Gew.-% angegebenen Massenanteilen aus Kohlenstoff und/oder Keramik. Die Massenanteile beziehen sich dabei auf das Verhältnis der Summe der Massenanteile an Kohlenstoff und Keramik, z.B. Siliziumcarbid, bezogen auf die Gesamtmasse des Gefüges. Da Kohlenstoff im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung amorphen Kohlenstoff und Graphit meint, geht in den Anteil an Kohlenstoff sowohl amorpher Kohlenstoff als auch Graphit ein, also jeglicher Kohlenstoff unabhängig von dessen Kri sta 11 i n i tätsg rad .

Für den kohlenstoffbasierten Körper können wie gesagt Kohlenstoffpartikel umfassend amorphen Kohlenstoff und Graphit sowie sämtliche Mischformen dieser verwendet werden. Insbesondere kann der in a) bereitgestellte Körper aus einer Mischung aus Koks und Siliziumcarbid mittels additiver Fertigung hergestellt worden sein. Die Art des verwendeten Koks ist hierbei nicht besonders eingeschränkt; es können unter anderem Kokse wie Steinkohlenteerpechkoks, Petrolkoks, Acetylenkoks, Flexikoks, Fluidkoks oder Shot Coke, bevorzugt Flexikoks, eingesetzt werden. Die vorteilhaften Eigenschaften der Verwendung der oben genannten Kohlenstoffpartikel sind in der WO 2017/089499 A1 beschrieben.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper ist mittels additiver Fertigung erhältlich oder hergestellt worden. Bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen eine noch vor Schritt a) erfolgende additive Fertigung des Körpers. Es ist jedoch auch möglich, die durch additive Fertigung erhältlichen oder hergestellten Körper, die in Schritt a) bereitgestellt werden, zuzukaufen oder vom erfindungsgemäßen Verfahren räumlich getrennt und/oder zeitlich entkoppelt herzustellen. Die additive Fertigung des Körpers kann also optional vom erfindungsgemäßen Verfahren umfasst sein.

Die Angabe „mittels“ additiver Fertigung bringt zum Ausdruck, dass die additive Fertigung nicht der letzte, vor Schritt a) erfolgende Bearbeitungsschritt des Körpers sein muss. Der Körper kann nach dessen additiver Fertigung weiterbearbeitet worden sein, bevor er in Schritt a) bereitgestellt wird.

So kann sich an die additive Fertigung ein Imprägnieren anschließen, um einen imprägnierten Körper zu erhalten, wobei der imprägnierte Körper in Schritt a) bereitgestellt wird. Das Imprägnieren kann mit einem flüssigen Kunstharz erfolgen. Das flüssige Kunstharz kann zu einer Kunstharzmatrix ausgehärtet werden und der die Kunstharzmatrix aufweisende Körper kann in Schritt a) bereitgestellt werden. Möglichkeiten zum Imprägnieren des Körpers mit Kunstharz und das anschließende Aushärten zur Kunstharzmatrix sind aus der WO 2017/089500 A2 bekannt. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann z.B. gekauft oder mit additiven Fertigungstechnologien hergestellt werden, die dem Fachmann aus der einschlägigen Fachliteratur bekannt sind. Er kann auch so hergestellt werden, wie in WO 2017/089499 A1 , oder WO 2017/089500 A2 beschrieben. Eine Fülle verschiedener, sehr gut geeigneter additiv gefertigter Körper können von SGL Carbon gekauft werden.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper besteht vorzugsweise aus Partikeln mit einer mittleren Größe (d50) im Bereich von 10-500 μm aufgebaut sein. Die daraus resultierende hohe Porosität des Körpers begünstigt die Infiltration des Körpers. Für die Bestimmung des d50-Werts kann die lasergranulometrische Methode (ISO 13320) eingesetzt werden, wobei ein Messgerät der Sympatec GmbH mit zugehöriger Auswertesoftware verwendet wird. Im bestehenden Körper kann die Partikelgröße aus dem Schliffbild bestimmt werden, z.B. lichtmikroskopisch.

Unter additiver Fertigung wird in bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren Binder Jetting oder Pastenextrusion verstanden. In einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist der in Schritt a) bereitgestellte Körper mittels Binder Jetting hergestellt worden oder mittels Binder Jetting erhältlich.

Beim Binder Jetting wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt, um so den Körper zu erzeugen. Dies bewirkt, dass der Körper pulverbasiert, hochporös, und weitgehend isotrop ist. In Schritt b) kann dann eine stoffschlüssige Verbindung des Fügebindemittels mit dem Körper entstehen, der zu einer besonders festen Verbindung von Verstärkungselement und Körper führt.

Der beim Binder Jetting verwendete Binder wird hierin als Jetting-Binder bezeichnet. Es können organische oder anorganische Jetting-Binder verwendet werden, wobei z.B. Wasserglas als anorganischer Jetting-Binder und z.B. Phenolharz oder Furanharz als organische Jetting-Binder gut verwendbar sind. Beim Binder Jetting wird ein Körper mit einem Feststoffanteil von größer 80 Gew.-%, bevorzugt größer 90 Gew.-% erhalten. Bei der Pastenextrusion wird eine Extrusionspaste in definierter weise in einem vorgegebenen Muster abgelegt, um so den Körper zu erzeugen. Das Ablegen der Extrusionspaste kann dabei schichtweise aus einem extrudierten Strang erfolgen. Die Extrusionspaste enthält vorzugsweise Kohlenstoffpartikel und/oder Keramikpartikel, z.B. Siliziumcarbidpartikel. Außerdem enthält die Extrusionspaste Binder. Der in der Extrusionspaste enthaltene Binder unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Bevorzugt ist in der Extrusionspaste als Binder enthalten, z.B., Phenolharz, Furanharz, Benzoxazinharz, Pech, Cellulose, Stärke, Zucker, Polyvinylalkohol (PVA), Thermoplaste wie z.B. Polyacryletherketone und insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyimid.

Das faserhaltige Verstärkungselement unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Als faserhaltiges Verstärkungselement kommt prinzipiell jede Faser und jedes faserhaltige Material und jede faserhaltige Masse in Betracht, welche(s) sich gemäß der Verfahrensschritte b) mit dem Körper zu einem erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundbauteil weiterverarbeiten lässt.

Faser meint im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Basaltfaser, Naturfaser (z.B. Hanffaser, Flachsfaser, Sisalfaser) und/oder Siliziumcarbidfaser, besonders bevorzugt Carbonfaser und/oder Glasfaser. Carbonfaser ist insbesondere immer dann bevorzugt, wenn hohe Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen bestehen. Glasfaser ist insbesondere immer dann bevorzugt, wenn sehr kosteneffizient gefertigt werden muss. Siliziumcarbidfaser wird bevorzugt eingesetzt, wenn es um eine gute Oxidations stabilität und Verschleißstabilität geht. Dementsprechend bedeutet „faserhaltig“, vorzugsweise „carbonfaserhaltig“, „glasfaserhaltig“, „aramidfaserhaltig“, „basalt faserhaltig“, „naturfaserhaltig“ (z.B. hanffaserhaltig, flachsfaserhaltig, sisalfaserhaltig) und/oder „siliziumcarbidfaserhaltig“. Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt jede Art des Verbindens von Körper und Verstärkungselement in Betracht. Das Verbinden kann aufeinanderfolgende Teilschritte umfassen, z.B. ein Anbringen des Verstärkungselements am Körper, ein Anpressen des Verstärkungselements am Körper und ein Aushärten. Es versteht sich, dass diese Teilschritte zeitlich getrennt oder auch quasi zeitgleich erfolgen können. Quasi zeitgleich erfolgen die Teilschritte z.B. wenn ein Verstärkungselement mit einem heißen Stempel aufgepresst wird, so dass zugleich ein thermisch induziertes Aushärten des Fügebindemittels erfolgt.

Wie aus den nachfolgenden Ausführungen zu formbaren und starren faserhaltigen Verstärkungselementen und Anbringungsmethoden deutlich wird, kann als Fügebindemittel bevorzugt ein in bestimmten Verstärkungselementen ohnehin enthaltenes Bindemittel und/oder ein zusätzlich einzubringendes Bindemittel dienen. Es kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels ein im Verstärkungselement und/oder im Körper enthaltenes Bindemittel sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Verbinden auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen werden.

Erfindungsgemäß kann also mindestens ein Teil des Fügebindemittels im Verstärkungselement und/oder im Körper enthalten sein, bevor ein erster Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement hergestellt wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine Teil des Fügebindemittels dann im Verstärkungselement (z.B.

Prepreg) enthalten, bevor ein erster Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement hergestellt wird. Kontakt bedeutet hier physischer Kontakt. Der Körper kann im Moment des ersten Kontakts z.B. porös oder vollständig oder teilweise mit ganz oder teilweise ausgehärteter oder noch nicht ausgehärter Kunstharzmatrix infiltriert sein.

Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann formbar sein. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ein Bindemittel enthält, das noch nicht ausgehärtet ist oder kein Bindemittel enthält. Die Fasern können mit dem Bindemittel benetzt oder in dem Bindemittel aufgenommen sein. Konkrete Beispiele solcher formbaren Verstärkungselemente sind eine Harz und Fasern enthaltende Masse, die hierin auch als „Harz-Faser- Masse“ bezeichnet ist, ein mindestens teilweise harzgetränktes textiles Flächengebilde (solche Flächengebilde sind als „Prepregs“ käuflich erhältlich, z.B. von SGL Carbon), ein harzgetränkter Faserstrang, z.B. ein sogenanntes Towpreg, käuflich erhältlich von SGL Carbon.

Das formbare Verstärkungselement muss jedoch kein Bindemittel enthalten. Das formbare Verstärkungselement kann eine Faser sein, wie z.B. bei Flechtschläuchen bei denen der Körper mit Fasern umflochten wird. Erfindungsgemäß kann der Körper also durch Fasern umwickelt oder umflochten werden und anschließend kann eine Imprägnierung mit Fügebindemittel erfolgen.

Das Anbringen dieser formbaren Verstärkungselemente am Körper kann z.B. erfolgen durch Pressen mithilfe einer Pressform (Anbringungsmethode 1), Aufsprühen mittels Faserspritzen (Anbringungsmethode 2), Aufpressen mittels Vakuumsackverfahren (Anbringungsmethode 3) und/oder Autoklavverfahren (Anbringungsmethode 4), oder Umwickeln und/oder Umflechten des Körpers mit dem faserhaltigen Verstärkungselement (Anbringungsmethode 5). Vakuumsackverfahren und Autoklavverfahren sind beschrieben in Drechsler, K., Heine, M., Mitschang, P., Baur,

W., Gruber, U., Fischer, L., Öttinger, 0., Heidenreich, B., Lützenburger, N. und Voggenreiter, H. (2009), Carbon Fiber Reinforced Composites, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (Ed.)., in Abschnitt 2.3.3. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, welche der vorgenannten Anbringungsmethoden 1 bis 5 für die oben aufgelisteten formbaren Verstärkungselemente zur Anbringung am Körper jeweils geeignet sind. Die Anbringung am Körper geht beim formbaren Verstärkungselement im Allgemeinen mit einer Veränderung der Form des Verstärkungselements einher. Das Verstärkungselement kann beim Anbringen an den Körper einer Kontur des Körpers flexibel angepasst werden.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren kann das (z.B. harzhaltige) Verstärkungselement also auf dem Körper abgelegt und auf den Körper aufgepresst werden. Dies kann von Hand erfolgen und wird als Handlaminieren bezeichnet. Automatisiert kann es durch Tapelegen oder Fiberpatching erfolgen, wobei z.B. ein Prepreg von einer programmierbaren Maschine auf dem Körper abgelegt wird. Das Andrücken, z.B. Aufpressen, kann ebenfalls maschinell erfolgen.

Erfindungsgemäß kann das Fügebindemittel durch Flüssigharzinfusion (LRI) in einen Bereich gelangen, in dem der Körper mit dem Verstärkungselement in Kontakt steht. So kann z.B. ein Gewebe auf den Körper aufgelegt werden und das Fügebindemittel so auf das Gewebe aufgetragen werden, dass das Fügebindemittel in den Bereich einsickert, in dem das Gewebe in Kontakt mit dem Körper steht. Gängige LRI Techniken sind beschrieben von C. Garschke, C. Weimer, P.P. Parlevliet, B.L. Fox, in Composites: Part A 43 (2012) 935-944. So kann die Flüssigharzinfusion (LRI) z.B. durch eine der dem Fachmann geläufigen Techniken erfolgen, z.B. durch resin film infusion (RFI), durch den seeman composite resin infusion moulding process (SCRIMP), durch vakuumassistierte Prozessierung (VAP) oder durch differential pressure resin transfer moulding (DP-RTM) oder durch Autoklavverfahren.

Formbare Verstärkungselemente lassen es zu, die Geometrie des Körpers ohne Rücksicht auf die Form eines starren Verstärkungselement zu optimieren. Es ist dann nicht erforderlich, einen Körper mit einer Oberfläche bereitzustellen, die spezifisch an die Oberfläche eines gegebenen, starren Verstärkungselements angepasst ist. Da das Bindemittel, z.B. Harz, formbarer Verstärkungselemente im Moment der Anbringung am Körper noch nicht ausgehärtet ist, kann es zugleich als Fügebindemittel dienen. Der Einsatz von weniger Bindemittel hilft dabei, die Dimensionsgenauigkeit zu erhalten. Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann starr sein. Starr ist das faserhaltige Verstärkungselement z.B. dann, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ausgehärtetes Bindemittel enthält. Konkrete Beispiele starrer faserhaltiger Verstärkungselemente sind

- faserverstärkte Kunststoffelemente, z.B. carbonfaser- oder glasfaserverstärkte Kunststoffelemente, insbesondere o faserverstärkte Kunststoffplatten, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffplatten (CFK oder GFK-Platten) o faserverstärkte Kunststoffringe, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffstoffringe (CFK oder GFK-Ringe) o faserverstärkte Kunststoffstäbe, z.B. carbonfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe (CFK oder GFK -Stäbe).

Das Verbinden des Körpers mit diesen starren Verstärkungselemente kann insbesondere erfolgen durch Aufpressen des Verstärkungselements auf eine Oberfläche des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement eine Platte ist), Umlegen des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Ring ist) oder Einlegen in eine Ausnehmung des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Stab, Gitter oder ein Ring ist).

Da das Bindemittel eines starren Verstärkungselements im Allgemeinen ausgehärtet ist und nicht mehr als Fügebindemittel dienen kann, kann zur Anbringung des Körpers weiteres Fügebindemittel zugeführt werden.

Erfindungsgemäß kann also mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Verbinden auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen werden. Als Fügebindemittel eignet sich jedes Mittel, mit dem für die jeweilige Verwendung des Kunststofffaserverbundbauteils eine hinreichend feste Verbindung von Körper und Verstärkungselement erreicht wird.

Das Fügebindemittel ist vorzugsweise ein Duroplast. Der Duroplast kann z.B. ein Bismaleinimidharz, ein Benzoxazinharz, ein Furanharz, ein Isocyanatharz, ein Phenolharz, ein Epoxidharz, ein Polyurethanharz, ein (Meth)Acrylatharz, ein Polyesterharze, ein Polyurethanharz, ein Silikonharz, ein Phenylsulfitharz, oder ein Cyanatesterharz umfassen. (Meth)Acrylat steht für Acrylat und/oder Methacrylat. Selbstverständlich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren dann vorzugsweise auch ein Aushärten des Duroplasten. Bismaleinimidharze, Benzoxazinharze, Furanharze, Isocyanatharze und Phenolharze zeichnen sich durch ihre besonders hohe chemische Stabilität und Temperaturstabilität aus, während Epoxidharze, Polyurethanharze und Acrylatharze eine besonders hohe mechanische Stabilität besitzen und besonders leicht verarbeitbar (infiltrierbar) sind, weil sie sehr dünnflüssig (also mit besonders geringer Viskosität) bereitgestellt werden können.

Der Duroplast kann ein Polyadditionsharz umfassen, z.B. ein Epoxidharz. Dies hat den Vorteil, dass Kunststofffaserverbundbauteile (z.B. Formwerkzeuge) mit besonders hoher Flüssigkeits- und Gasdichtigkeit, erhalten werden. Es bilden sich beim Aushärten keine Kanäle durch das Entweichen von Nebenprodukten, wie z.B. Wasser, die bei der Polykondensation entstehen und entweichen. Folglich werden besonders dichte Verbundbauteile erhalten. Dies ermöglicht wiederum eine effizientere Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit erfindungsgemäßen Formwerkzeugen. Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Formwerkzeug z.B. im Vakuumsackverfahren besonders gut einsetzen.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches Kunststofffaserverbundbauteil, z.B. durch ein Kunststofffaserverbundbauteil aufweisend einen Körper und ein faserhaltiges Verstärkungselement, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Fügebindemittel, z.B. Duroplast, verbunden sind, hergestellt oder erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder durch ein Kunststofffaserverbundbauteil aufweisend einen Körper, der von Fasern frei ist oder keine Fasern mit einer Länge von mehr als 0,5 mm umfasst und ein faserhaltiges Verstärkungselement, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 20 mm, z.B. mehr als 50 mm, umfasst, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Fügebindemittel, z.B. Duroplast, verbunden sind, hergestellt oder erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Der Körper kann eine Matrix aufweisen, z.B. eine Kunstharzmatrix. Kunstharzmatrices sind aus WO 2017/089500 A2 bekannt. Dies hat den Vorteil einer höheren Stabilität des Körpers, die jedoch mit einer höheren Masse des Körpers einhergeht. Der Fachmann wägt dementsprechend je nach geplanter Verwendung ab, ob eine Kunstharzmatrix sinnvoll ist, oder nicht. In bestimmten erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundbauteilen sind die Kunstharzmatrix des Körpers und das Fügebindemittel identisch, so dass sich eine Matrix stoffschlüssig bis in das Verstärkungselement hinein erstreckt. Dies sorgt für eine besonders feste Verbindung von Körper und Verstärkungselement.

In erfindungsgemäßen Bauteilen kann das Verhältnis vom Volumen des Verstärkungs elements oder der Verstärkungselemente zum gesamten Volumen des Bauteils in breiten Bereichen variieren. Für bestimmte Bauteile/zu bestimmten Verwendungen können sehr kleine Verstärkungselemente ausreichen. Hingegen können bei anderen Bauteilen/für bestimmte Verwendungen sehr große Verstärkungselemente erforderlich sein. Im Allgemeinen beträgt das Volumenverhältnis von Verstärkungselement(en) zum gesamten Volumen des erfindungsgemäßen Bauteils 0,01 bis 0,5, bevorzugt 0,05 bis 0,25, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,2.

Der Faservolumenanteil im faserhaltigen Verstärkungselement beträgt vorzugsweise mindestens 20 Volumen-%, insbesondere mindestens 40 Volumen-%. Dies lässt sich im Schliffbild optisch bestimmen. Dazu schneidet man ein erfindungsgemäßes Bauteil einschließlich Verstärkungselement durch, schleift die beim Durchschneiden erhaltenen Schnittoberflächen ab und bestimmt visuell (z.B. mit einem Mikroskop), welchen Anteil die von Fasern eingenommenen Bereiche der Verstärkungselement-Schnittoberflächen an den gesamten Verstärkungselement-Schnittoberflächen einnehmen. Sind die Fasern innerhalb des Verstärkungselements nicht vollkommen homogen verteilt, so wird das Bauteil mehrfach durchschnitten und es werden sämtliche Verstärkungselement- Schnittoberflächen in die Bestimmung des Faservolumenanteils mit einbezogen. Es wurde schon oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, dass die Herstellung des Faserverbundbauteils unter Verwendung von formbaren Verstärkungselementen, wie z.B. Harz-Faser-Masse, erfolgen kann. Insbesondere solche Massen führen häufig zu erfindungsgemäßen Bauteilen mit ausgedehnten faserfreien, auf Harz zurückgehenden Verstärkungselementbereichen und mit dementsprechend geringem Faservolumenanteil.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist das faserhaltige Verstärkungselement ein carbonfaserhaltiges, glasfaserhaltiges, aramidfaserhaltiges, basaltfaserhaltiges, naturfaserhaltiges (z.B. hanffaserhaltiges, flachsfaserhaltiges, sisalfaserhaltiges,) und/oder siliziumcarbidfaserhaltiges, besonders bevorzugt ein carbonfaserhaltiges und/oder glasfaserhaltiges Verstärkungselement.

Das faserhaltige Verstärkungselement kann ein Gewebe, ein Spiralgewebe, ein multiaxiales Gelege, ein unidirektionales Gelege, Kurzschnittfasern, Endlosfasern, ein Vlies, einen Filz, ein Papier, ein Geflecht, ein Gestrick, ein Gestick und/oder ein Fasergitter umfassen. Gestricke sind elastisch und dadurch gut drapierbar. Geflechte und Gestricke sind bevorzugt Schläuche und lassen sich somit gut zur Außenver stärkung des Körpers verwenden. Endlosfasern umfassende Verstärkungselemente werden z.B. hergestellt indem ein Towpreg um den Körper gewickelt wird. Erfindungsgemäß weist das Faserverbundbauteil ein faserhaltiges Verstärkungs element auf, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm umfasst. Vorgenannte faserhaltige Verstärkungselemente wie z.B. Gelege, Vliese, Filze, Papiere, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter enthalten regelmäßig Fasern mit einer Länge von weit mehr als 1 mm.

Das Faserverbundbauteil kann ein faserhaltiges Verstärkungselement aufweisen, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm, z.B. mit einer mittleren Länge von mehr als 20 mm, insbesondere mit einer mittleren Länge von mehr als 50 mm umfasst. Mit kürzeren Fasern lassen sich Gelege, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter nur mit erhöhtem Aufwand verwirklichen. Gerade bei Kurzschnittfasern, Vliesen, Filzen oder Papieren sind jedoch auch sehr kurze Fasern möglich.

Hinsichtlich der Form der verbundenen Oberflächenbereiche von Verstärkungselement und Körper bestehen keine Einschränkungen. Der Körper kann formschlüssig mit dem Verstärkungselement verbunden sein. Dies bewirkt eine zusätzliche Steigerung der Stabilität der Verbindung zwischen den Teilen des Kunststofffaserverbundbauteils, also zwischen Verstärkungselement und Körper. Mindestens eines der Teile (z.B. der Körper) kann eine Hinterschneidung aufweisen, in die der andere Teil (z.B. das Verstärkungselement) formschlüssig eingreift, z.B. in Form einer Schwalbenschwanz verbindung. Dies ist im Zusammenhang mit der Erfindung sehr effektiv, da die additive Fertigung für die Herstellung von Hinterschneidungen besonders gut geeignet ist. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann also eine Hinterschneidung aufweisen. Ein formbares Verstärkungselement kann beim Anbringen z.B. durch Pressen in Formschluss mit der Hinterschneidung gebracht werden und dann formschlüssig ausgehärtet werden.

Der Körper kann eine Ausnehmung aufweisen, in die das (gesamte) faserhaltige Verstärkungselement aufgenommen ist. Die verhindert ein Verkippen, Verrutschen und Delaminieren. Das Verstärkungselement beeinflusst dann zudem die Außengeometrie des Körpers nicht. Die Oberfläche wird nicht beeinflusst, was z.B. bei einem Lüfterrad oder Pumpenlaufrad von großem Vorteil sein kann.

Mittels additiver Fertigung kann der Körper in unterschiedlichsten Geometrien bereitgestellt werden, so dass jede erdenkliche Kunststofffaserverbundbauteilgeometrie möglich ist. Ausnehmungen für faserhaltige Verstärkungselemente und/oder Hinterschneidungen können dabei an jeder beliebigen Stelle vorgesehen werden. Je nach Bauteil und dessen bestimmungsgemäßer Verwendung ergeben sich besonders hohe mechanische Belastungen immer an ganz bestimmten Stellen, an denen die faserhaltigen Verstärkungselemente gezielt angeordnet werden können. So erhält man ein Bauteil, das den zu erwartenden Belastungen in jedem Bauteilbereich gerecht wird und zugleich besonders günstig hergestellt werden kann. Das Verstärkungselement kann dort am Körper angeordnet sein, wo dieser eine Aufnahme für ein Befestigungs element (z.B. Schraube) aufweist. So kann verhindert werden, dass die auf das Befestigungselement wirkenden Kräfte zu einem Herausbrechen von Teilen des Körpers im Bereich der Aufnahme führen.

Bevorzugte erfindungsgemäße Kunststofffaserverbundbauteile zeigen ein besonders stark ausgeprägtes pseudoduktiles Bruchverhalten, was eine ausgeprägte Schadenstoleranz und Bruchzähigkeit der Bauteile mit sich bringt. Das heißt, dass sich im 3-Punkt Biegeversuch eine Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmen lässt, die nach einem ersten, auf die linear-elastische Verformung des Bauteils zurückgehenden Anstieg nicht abrupt beim ersten Schaden auf 0 fällt. Es kommt beim ersten Schaden am Bauteil nicht gleich zu einem abrupten Versagen. Zusätzlich ist eine höhere Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu einem unverstärkten Bauteilen gegeben.

Der 3-Punkt Biegeversuch kann z.B. durchgeführt werden in Anlehnung an DIN EN ISO 14125 mit Auflagerradius: 3 mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite 80 mm, mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min. Die Erfindung betrifft auch ein Formwerkzeug, insbesondere eine Laminier-, Press- oder Tiefziehform, aufweisend ein erfindungsgemäßes Kunststofffaserverbundbauteil. Vorzugsweise ist dieses Formwerkzeug großflächig. Die Kontaktoberfläche des Formwerkzeugs, an der das Formwerkzeug mit dem zu formenden Werkstück in Kontakt tritt, beträgt bevorzugt mindestens 0,05 m ² , insbesondere mindestens 0,2 m ² , z.B. mindestens 0,5 m ²

Am Formwerkzeug kann das Verstärkungselement auf einer Oberfläche des Körpers so angeordnet sein, dass ein mit dem Formwerkzeug herzustellendes Werkstück an der Kontaktoberfläche des Formwerkzeugs nicht unmittelbar mit dem Körper in Kontakt gelangt. Dies sorgt zum einen für eine erhöhte Stabilität und zusätzlich auch für eine hohe Dichtigkeit des Formwerkzeugs.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine endkonturnahe Herstellung von Formwerkzeugen. Um besonders enge Toleranzen zu erreichen, kann die mechanische Nachbearbeitung der Kontaktoberfläche erforderlich sein. Dies muss dabei so erfolgen, dass die Gasdichtigkeit des Formwerkzeugs weiterhin gewährleistet ist.

Auf der Kontaktoberfläche des faserhaltigen Verstärkungselements kann eine Antihaftbeschichtung angebracht sein. Gängige Antihaftbeschichtungsmittel sind dem Fachmann bekannt. Die Antihaftbeschichtung kann z.B. Silikone, langkettige Alkane, Silane oder fluorierte Polymere umfassen. Im Allgemeinen lässt sich die Antihaftbeschichtung am Verstärkungselement besser anbringen, da sie in den (nicht imprägnierten) Körper hineininfiltrieren würde und an dessen Oberfläche eine entsprechende Antihaftwirkung nicht bewirkt werden könnte. Die Oberfläche des Verstärkungselements, an der die Antihaftbeschichtung angebracht ist, kommt bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Formwerkzeugs mit dem damit herzustellenden Werkstück in Kontakt. Dies verbessert die Oberflächengüte der mit dem Formwerkzeug geformten Bauteile. Alternativ kann als Antihaftschutz bei der Verwendung des Formwerkzeugs eine Folie zwischen Formwerkzeug und herzustellendes Werkstück eingelegt werden.

Wegen der geringen Masse erfindungsgemäßer Formwerkzeuge und entsprechend geringer Wärmekapazitäten brauchen die beim Formen durchlaufenen Temperaturzyklen weniger Energie. Auch sind kürzere Zyklenzeiten möglich, da das Abkühlen und Aufheizen schneller erfolgen kann. Die Faserverstärkung sorgt für ein stabiles/steifes Formwerkzeug bei niedriger Masse.

Weitgehend übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten von Formwerkzeug und den damit hergestellte Faser-Kunststoff-Verbunden sorgen für eine besonders hohe Präzision beim Formen.

Wegen des geringen spezifischen Gewichts erfindungsgemäßer Kunststofffaser verbundbauteile und wegen deren geringen Wärmekapazitäten und Wärmeaus dehnungen und deren hoher Formstabilität ermöglicht das Formwerkzeug ein besonders effizientes und präzises Herstellen von Werkstücken (z.B. Laminieren, Pressen oder Tiefziehen). Dies gilt insbesondere, wenn der in a) bereitgestellte Körper eine geringe Dichte aufweist. Zusätzlich kann der in a) bereitgestellte Körper und der Körper in erfindungsgemäßen Formwerkzeugen nicht oder nicht vollständig imprägniert sein, da dann eine niedrigere thermische Ausdehnung erreicht wird, die für die Herstellung von CFK- und GFK-Bauteilen im Formwerkzeug vorteilhaft ist. Je niedriger der Harzanteil im Körper ist, desto niedriger ist die thermische Ausdehnung. Der Fachmann wählt den Harzanteil abhängig von der mechanischen Belastung bei der Verwendung des jeweiligen erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.

Die Dichte des erfindungsgemäßen Bauteils beträgt vorzugsweise höchstens 2,5 g/cm ³ , insbesondere höchstens 2,3 g/cm ³ , z.B. höchstens 2,1 g/cm ³ . Verstärkungselement und Körper wirken bei erfindungsgemäßen Formwerkzeugen synergistisch zusammen: Durch additive Fertigung, z.B. Binder Jetting, ist ein sehr leichter Körper schnell und kostengünstig in komplexen Geometrien herstellbar. Das Verstärkungselement bedeckt nicht nur die poröse und damit für die Formung von Kunststoffen weniger gut geeignete Oberfläche des Körpers, sondern verleiht dem Formwerkzeug zugleich Steifheit und Festigkeit und bietet eine ideale Grundlage für eine Antihaftbeschichtung.

Somit betrifft die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zum Laminieren, Pressen oder Tiefziehen bei der Herstellung oder Umformung von einem Faser-Kunststoff-Verbund, z.B. von einem Glasfaser-Kunststoff- Verbund oder einem Carbonfaser-Kunststoff-Verbund. Dies ermöglicht eine nahezu beliebige Vervielfältigung einer initial einmal durch additive Fertigung bereitgestellten Kontur in Form des erhaltenen Faser-Kunststoff-Verbunds.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kunststofffaser verbundbauteils als Lüfterrad, Pumpenlaufrad, Kolonneneinbauten, Düse oder Rohr, oder als Teil großer Designelemente, z.B. einer Kulisse, insbesondere einer Filmkulisse, als Möbelstück oder als Teil von einem Möbelstück.

Die Erfindung betrifft somit auch ein erfindungsgemäßes Kunststofffaserverbundbauteil mit der Geometrie eines Lüfterrades (also ein Kunststofffaserverbund-Lüfterrad), mit der Geometrie eines Pumpenlaufrads (also ein Kunststofffaserverbund-Pumpenlaufrad), mit der Geometrie von Kolonneneinbauten (also Kunststofffaserverbund- Kolonneneinbauten) mit der Geometrie einer Düse (also eine Kunststofffaserverbund- Düse), mit der Geometrie eines Rohrs (also ein Kunststofffaserverbund-Rohr), mit der Geometrie einer Kulisse (also eine Kunststofffaserverbund-Kulisse) oder mit der Geometrie eines Möbelstücks (also ein Kunststofffaserverbund-Möbelstück). Bei Lüfterrädern oder Pumpenlaufrädern können durch das Verstärkungselement Radialkräfte abgefangen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verstärkungselement am Lüfterrad oder Pumpenlaufrad dort angeordnet sein, wo die Rotationsachse mit dem Lüfterrad oder Pumpenlaufrad verbunden ist. Durch die Faserverstärkung kann das Sprödbruchverhalten weitestgehend verhindert werden, welches bei additiv gefertigten Körpern ohne Faserverstärkung beobachtbar ist. Dies ist insbesondere bei rotierenden Bauteilen von großem Vorteil. Bei schnellen Rotationen wirken starke Fliehkräfte, die zum Bruch des Körpers führen können. Außerdem droht bei rotierenden Bauteilen die Gefahr von Folgeschäden an umgebenden Bauteilen, denn vollständig abgebrochene Teile können weggeschleudert werden. Außerdem kann die infolge des Bruchs auftretende Unwucht zu Folgeschäden führen. All dem wirkt die Erfindung effizient entgegen.

Bei Düsen und bei Rohren kann das Verstärkungselement den Körper umgeben. Der Körper ist einem durch die Düse oder durch das Rohr führbaren Fluid ausgesetzt, das z.B. Partikel enthalten kann. Hier kann der Körper als Verschleißschutzelement angesehen werden, das einer Abrasion entgegenwirkt. Der Körper ist dann vorzugsweise ein keramischer, z.B. siliziumcarbidbasierter Körper, da dieser besonders hart ist, so dass eine Abrasion von Düse oder Rohr wenn überhaupt nur sehr langsam erfolgt. Das umgebende Verstärkungselement steigert die Druckbeständigkeit und verhindert auch bei hohem Überdruck ein Bersten der Düse oder des Rohrs.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele illustriert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Figuren

Figur 1 A zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, 3D gedruckten Körpern Figur 1 B zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem, 3D gedrucktem Körper zwischen zwei flächigen Verstärkungselementen

Figur 1C zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, mit Fügebindemittel angebrachten 3D gedruckten Körpern Figur 1 D zeigt ein Mehrlagenbauteil in dem flächige, 3D gedruckte Körper und flächige Verstärkungselemente abwechselnd übereinander angeordnet sind,

Figur 1 E zeigt ein Sandwichbauteil, bei dem der flächige 3D gedruckte Körper eine durchgängige Ausnehmung aufweist, durch welche die beiden flächigen

Verstärkungselemente miteinander verbunden sind.

Figur 2A zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper mehrere Ausnehmungen zur

Aufnahme je eines Verstärkungselements aufweist Figur 2B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2A entlang der gestrichelten Linie Figur 2C zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper zu einem Gitter verbundene Ausnehmungen zur Aufnahme eines gitterförmigen Verstärkungselements aufweist

Figur 2D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2C entlang der gestrichelten Linie Figur 2E zeigt einen Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2B

Figur 2F zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper eine Vielzahl zylindrischer Ausnehmungen aufweist, zur Aufnahme je eines Verstärkungselements

Figur 2G zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2F entlang der gestrichelten Linie

Figur 3A zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, der von einem ringförmigen Verstärkungselement umgeben ist

Figur 3B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3A entlang der gestrichelten Linie Figur 3C zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, wobei ein ringförmiges Verstärkungselement in eine umlaufende Nut aufgenommen ist Figur 3D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3C entlang der gestrichelten Linie

Figur 4A zeigt eine Aufsicht auf ein Bauteil mit einem nach oben offenen Körper, der verfüllt ist mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement

Figur 4B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 4A entlang der gestrichelten Linie mit Deckel Figuren 5A,B und C zeigen Schnitte von Körpern, deren komplex geformte Oberfläche mit einem Verstärkungselement überzogen sind Figuren 6A, B zeigen Bauteile, in denen schwalbenschwanzförmige Verstärkungselemente in mindestens einer Nut aufgenommen sind. Figuren 7A, B zeigen Bauteile, bei denen der 3D gedruckte Körper eine Kanalstruktur enthält, wie sie z.B. zur Kühlung oder Beheizung verwendet werden kann. Figur 8 zeigt Spannungs-Dehnungs-Kurven aus 3-Punkt-Biegeversuchen.

In Figur 1A bis E sind erfindungsgemäße Bauteile in Form von Sandwichstrukturen aus flächigen Verstärkungselementen 2 und flächigen, 3D gedruckten Körpern 1 gezeigt. Solche Sandwichstrukturen werden durch Verpressen mit Duroplast hergestellt. Die Art des jeweils zu bevorzugenden Verstärkungselements 2 hängt dabei von der Geometrie des Bauteils (Verstärkungselement basierend auf Bahnware bei rechteckigen Strukturen oder Spiralgewebe bei runden Strukturen) sowie dem späteren Lastverlauf (unidirektionale, multiaxiale Gelege, Gewebe oder planar isotrope Vliese) ab.

In den Bauteilen der Figuren 1 A, B, D und E wird bei der Herstellung ein nicht ausgehärtetes, harzhaltiges und damit formbares Verstärkungselement 2 eingebracht. Als formbares Verstärkungselement kann zur Herstellung der Bauteile der Figuren 1 A,

B und D, E z.B. ein Prepreg verwendet werden. Dabei wirkt das im Prepreg enthaltene Harz als Fügebindemittel und sorgt für eine stoffschlüssige Verbindung von Körper 1 und Verstärkungselement 2.

Das Bauteil der Figur 1C ist unter Verwendung von zusätzlichem Fügebindemittel hergestellt. Das Fügebindemittel wird an den Grenzflächen zwischen Körper und Verstärkungselement aufgetragen. Eine solches Fügebindemittel kann insbesondere bei starren Verstärkungselementen nötig sein, um das Verstärkungselement 2 fest am Körper 1 anzubringen.

Es sind beliebige Lagenfolgen möglich, bei denen das Verstärkungselement 2 zwischen 3D gedruckten Körpern 1 eingebettet ist (1 A, 1C) oder ein 3D gedruckter Körper 1 zwischen Verstärkungselementen 2 eingebettet ist (1 B). Des Weiteren sind Multilagenstrukturen mit verschiedener Lagenabfolge möglich (1 D). Solche Mehrlagenstrukturen lassen sich mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 realisieren, wobei insbesondere bei der Verwendung von starren Verstärkungs elementen 2 das zusätzliche Fügebindemittel aufgebracht wird, so dass eine feste Anbringung des starren, von nicht ausgehärtetem Bindemittel im Wesentlichen freien Verstärkungselement 2 am Körper ermöglicht wird. Die äußersten Lagen können wahlweise auf 3D gedruckte Körper 1 zurückgehen oder Verstärkungselemente 2 sein. Eine durchgängige Ausnehmung im 3D gedruckten Körper 1 ermöglicht die Verbindung zweier beidseitig aufgebrachter, formbarer Verstärkungselemente 2 und somit eine zusätzliche formschlüssige Fixierung der Verstärkungselemente 2 am 3D gedruckten Körper 1 (Figur 1 E).

In Figur 2A bis G sind erfindungsgemäße Bauteile gezeigt, bei denen der/die Körper 1 Ausnehmungen aufweisen, in die Verstärkungselemente 2 aufgenommen sind. Die Herstellung kann wahlweise mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 erfolgen. Formbare, nicht ausgehärtetes Harz enthaltende Verstärkungselemente 2 (z.B. Harz-Faser-Masse) können in die Ausnehmungen hineingepresst werden. Starre Verstärkungselemente 2 werden mittels zusätzlichem Fügebindemittel in den Ausnehmungen fixiert, wobei die auf Fügebindemittel zurückgehenden Zwischenbereiche in Figuren 2A bis G nicht angedeutet sind. Anschließend wird das erfindungsgemäße Bauteil durch Härten des Fügebindemittels (z.B. Duroplasts) erhalten.

In das Bauteil der Figuren 2A,B können zum Beispiel Faserstäbe mittels Fügebindemittel eingelegt werden. In das Bauteil der Figuren 2C,D kann ein gitterförmiges Verstärkungselement eingefügt werden, z.B. ein Fasergitter.

In Figur 2E ist ein Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2C gezeigt. Zum Verbinden der drei Lagen kann ebenfalls ein Fügebindemittel verwendet werden.

Im Bauteil der Figuren 2F,G sind die Ausnehmungen innenliegend, also ringsum von Körper 1 umgeben. In die Ausnehmungen kann ein formbares Verstärkungselement 2 (z.B. eine Harz-Faser-Masse) eingepresst werden oder ein starres Verstärkungs element 2 eingeschoben werden. Zum Fügen mit starren Verstärkungselementen 2 können die Ausnehmungen zunächst mit Fügebindemittel befüllt und anschließend das Verstärkungselement 2 eingeschoben werden. Es sind Ausnehmungen mit rundem Querschnitt gezeigt, wobei genauso gut auch Ausnehmungen und Verstärkungs elemente 2 mit beliebigem, z.B. rechteckigem oder quadratischem Querschnitt denkbar wären.

In Figuren 3A bis D sind erfindungsgemäße Bauteile mit scheibenförmigem Körper 1 und ringförmigem Verstärkungselement 2 gezeigt. Der scheibenförmige Körper 1 kann vom ringförmigen Verstärkungselement 2 umgeben sein (Figuren 3A,B). Alternativ kann das Verstärkungselement 2 auch in eine umlaufenden Nut des Körpers aufgenommen sein (Figuren 3C,D). Das Verstärkungselement 2 kann dabei als starrer Ring (z.B. ein Wickelrohr aus carbonfaserverstärktem Kunststoff) mittels Fügebindemittel an den scheibenförmigen Körper angebracht (Figuren 3A,B) oder in diesen eingebracht (Figuren 3C,D) sein. Alternativ kann insbesondere zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3C,D ein formbares Verstärkungselement (z.B. eine Harz-Faser-Masse) verwendet werden, die in die Nut eingepresst wird. Zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3A,B kann der scheibenförmige Körper alternativ mit einem harzimprägnierten Faserstrang oder einem vorimprägnierten Textil umwickelt oder ein Rundgestrick aufgezogen und mit Harz imprägniert werden. Unabhängig von der Art der Anbringung des Verstärkungselements am Körper können erfindungsgemäße Bauteile durch anschließendes Aushärten erzeugt werden.

In Figuren 4A,B ist ein Bauteil gezeigt, bei dem ein nach oben offener Körper 1 mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement 2 verfüllt ist. Ein solches Bauteil wird hergestellt, indem der Hohlraum eines 3D gedruckten Körpers mit Harz-Faser-Masse verfüllt wird. Im Anschluss wird die Masse mit einem Pressstempel oder durch Vakuumsackverfahrens verpresst und gegebenenfalls nochmals Harz-Faser-Masse nachgefüllt. Ist der ganze Hohlraum befüllt, wird der Körper mit einem passenden Deckel 4 verschlossen. Hierzu kann ein Fügebindemittel verwendet werden.

In Figuren 5A und 5B ist der Körper 1 allseitig mit Verstärkungselement 2 überzogen, in Figur 5C ist nur eine Seite des Körpers 1 mit Verstärkungselement 2 überzogen. Zum überziehen komplexer Oberflächen wird die zu verstärkende Oberfläche mit einem harzhaltigen Verstärkungselement 2 belegt (z.B. Prepreg oder Harz-Faser-Masse) und anschließend mittels Vakuumsackverfahren formschlüssig verbunden. Das Auflegen des Verstärkungselements 2 kann manuell, mit Hilfe eines Roboters oder mittels Faserspritzen erfolgen. Im Fall von Figur 5C kann die Verbindung, insbesondere bei größerer Stückzahl, auch mittels eines speziell geformten Pressstempels erzielt werden. In den Bauteilen der Figuren 6A, B hat der Körper 1 Hinterschneidungen, in die das Verstärkungselement 2 formschlüssig eingreift, hier beispielhaft in Form einer Schwalbenschwanzverbindung. Es können auch andere Formen mit Hinterschneidung verwendet werden.

In Figuren 7A, B umfasst der 3D gedruckte Körper 1 Kanäle 6. Sie können zur Kühlung und/oder Beheizung des Bauteils und/oder zur Gewichtsreduktion dienen. Durch die Verwendung eines 3D Druck Verfahrens zur Herstellung des Körpers 1 lassen sich vielfältige, komplexe Strukturen darstellen. Die Einbringung von Kanälen 6 ist grundsätzlich bei allen erfindungsgemäßen Bauteilen möglich. Die Kanäle können ein- oder beidseitig offen sein.

Die Graphen in Figur 8 zeigen Spannungs-Dehnungs-Kurven von Biegeversuchen an Materialien, deren Herstellung in Ausführungsbeispiel 1 und 2 beschrieben sind. Es sind zwei Kurven erfindungsgemäßer faserverstärkter Bauteile gezeigt (B, C) und als Vergleich eine Kurve eines unverstärkten Vergleichsmaterials (A).

Bezugszeichenliste

1 Körper

2 faserhaltiges Verstärkungselement

3 Fügebindemittelbereich

4 Deckel

6 Kanal

Ausführungsbeispiele

Sämtliche Biegeversuche wurden durchgeführt in Anlehnung an DIN EN ISO 14125 mit Auflagerradius: 3 mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite 80 mm und mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min. Beispiel 1 (Sandwichstruktur mit isotropem Carbonfaservlies)

Sandwichaufbau aus einem plattenförmigen 3D gedrucktem Körper (100x100x2mm ³ ) und Verstärkungselement das in Form eines Phenolharzprepregs (aus isotropem Carbonfaservlies mit 450 g/m ² ) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt und mit Phenolharz imprägniert. Auf beide Seiten des Körpers wurde je eine Lage Prepreg aufgelegt und mit 7,5 bar bei Maximaltemperatur 170°C verpresst. Zusätzlich wurde eine Referenzprobe (100x100x3mm ³ ) mit den gleichen Prozessschritten hergestellt, bei der jedoch kein Verstärkungselement an den Körper angebracht wurde.

Aus den so hergestellten Platten wurden Biegeproben herausgearbeitet (100 mm x 15 mm x 3 mm) und mittels 3-Punkt-Biegeversuch untersucht. Die faserverstärkten Proben zeigten in der Biegekurve eine deutlich höhere Festigkeit, eine signifikant höhere Steifigkeit sowie eine deutlich höhere Dehnung bei Bruch im Vergleich zu den unverstärkten Vergleichsproben. Eine exemplarische Biegekurve ist in Figur 8 dargestellt. Kurve A zeigt eine unverstärkte Referenz, Kurve B eine faserverstärkte Probe.

Beispiel 2 (Sandwichstruktur mit 3k Carbonfaser-Gewebe)

Sandwichaufbau aus einem plattenförmigen 3D gedruckten Körper (100x100x2mm ³ ) und Verstärkungselement das in Form eines Phenolharzprepregs (aus 3k Carbonfasergewebe mit 240g/m ² ) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt und mit Phenolharz imprägniert. Auf beide Seiten des Körpers wurden je zwei Lagen Prepreg aufgelegt und mit 7,5 bar bei Maximaltemperatur 170°C verpresst. Aus der so hergestellten Platte wurden Biegeproben herausgearbeitet (100 mm x 15 mm x 3 mm) und mittels 3-Punkt-Biegeversuch untersucht. Die faserverstärkten Proben zeigten im Biegetest ein pseudoduktiles Verhalten, also ein schrittweises Nachgeben des Materials ohne Spontanversagen. Zudem wurden im Vergleich zur unverstärkten Referenz Festigkeit und Steifigkeit durch das Anbringen des Verstärkungselements extrem gesteigert. Eine exemplarische Biegekurve einer solchen faserverstärkten Probe ist in Figur 8 (Kurve C) dargestellt.

Beispiel 3 (Pressform)

Verbundbauteil aus einem plattenförmigen 3D gedrucktem Körper (100x100x40mm ³ ) und Verstärkungselement das in Form eines Epoxidharzprepreg mit hoher Glasübergangstemperatur (aus 3k Carbonfasergewebe mit 245g/m ² ) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt. Danach wurde der Körper mit Epoxidharz imprägniert und direkt im Anschluss wurden auf eine Seite des Körpers 4 Lagen Prepreg aufgelegt und bei 1 ,5 bar / 150°C verpresst bzw. ausgehärtet. Im Anschluss wurden ein Versiegler und ein Antihaftmittel der Firma ebalta Kunststoff GmbH, Rothenburg ob der Tauber, Deutschland) aufgetragen.

Mit der so hergestellten Kunststofffaserverbund-Pressform wurden Abformungsversuche durchgeführt. Dabei wurde Epoxidharzprepreg auf der faserhaltigen Oberfläche des Formwerkzeugs aufgelegt und durch Heißpressen ausgehärtet. Die hergestellten CFK Platten konnten innerhalb von 10-15 min problemlos entformt werden und wiesen eine besonders glatte Oberfläche auf.

Beispiel 4 (Laminierform)

Verbundbauteil aus einem konkaven, 3D gedrucktem Körper und Verstärkungselement. Das Verstärkungselement wurde in Form eines Phenolharzprepreg (aus isotropem Carbonfaservlies mit 450 g/m ² ) am Körper angebracht.

Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt. Danach wurden auf der konkaven Oberfläche des Körpers vier Lagen Prepreg eingelegt und mit 0,9 bar bei Maximaltemperatur von 170°C im Vakuumsackverfahren ausgehärtet. Um besonders enge Toleranzen zu erreichen, wurde die faserhaltige Kontaktoberfläche der so hergestellten Kunststofffaserverbund- Laminierform abtragend bearbeitet. Wie in Beispiel 3 wurden anschließend Versiegler und Anti haftmittel auf die Kontaktoberfläche aufgetragen. Das so hergestellte

Formwerkzeug zeichnete sich durch eine enge Toleranz, hohe Oberflächengüte und sehr gute Antihaftwirkung aus. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) des isolierten, 3D gedruckten Körpers betrug 5,5 μm /(mK) und lag damit nahe am CTE des isolierten, carbonfaserhaltigen Verstärkungselements, welches in der Ebene einen CTE von ca. 2 μm/(mK) aufwies. Diese Werte liegen vergleichsweise nahe beieinander, wenn man berücksichtigt, dass der CTE von ausgehärteten, reinen Epoxidharzen im Bereich um 80 μm /(mK) liegt. Diese gute CTE-Kompatibilität ermöglicht eine nahezu verzugsfreie und Präzise Fertigung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen beim späteren Einsatz der Formwerkzeugs.