DE4442858A1

DE4442858A1 - Prodn. of sandwich mouldings from fibre-reinforced thermoplastic

Info

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

Abstract

A process is claimed for the prodn. of mouldings from fibre-reinforced thermoplastic material contg. 20-40 wt.% fibres with a length of more than 10 mm in any, pref. random, orientation. The process comprises (a) preheating the material to above the softening pt. of the thermoplastic (I), placing it in a mould at a temp. below the freezing pt. of the material, and applying pressure until a thin layer of the reinforced material solidifies on the wall of the mould, and then (b) reducing the mould closing pressure, whereupon the restoring force of the deformed fibres causes expansion of the still molten core with subsequent prodn.of pores. Also claimed are moulded prods. obtd. by this process. Pref.t he fibre content is 15-80 wt.%,mainly in the form of opt. needled rovings or fibre bundles, or a single filaments. These fibres contain 10-50 wt.% of deliberately aligned fibres. Pref. fibres comprise glass, carbon, aramid, metal, flax, jute or a hybrid thereof. Thermoplastic (I) comprises polyester, polyamide, polyethylene, polyurethane, polyoxymethylene, polycarbonate, polyether-ketone, PET, ABS, PPS, polypropylene, polystyrene or a thermoplastic copolymer

Description

Glasmattenverstärkte Thermoplaste (G MT) werden aufgrund ihrer guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften, leichten Verarbeitbarkeit und günstigen Preis-Leistungsverhältnisse vermehrt als Werkstoff für leicht- bis mittelschwer beanspruchte Formkörper u. a. aus dem Automobilbau und der Elektrotechnik eingesetzt. Bei der Formkörperherstellung wird ein faserverstärktes thermoplastisches Material, mit einem Faseranteil zwischen 20-40 Gew.-% und einer Faserlänge größer als 10 mm, über den Erweichungspunkt des Thermoplasten erwärmt und anschließend in ein Werkzeug, dessen Temperatur unter dem Einfrierungspunkt des Thermoplasten liegt, transferiert, verpreßt, gekühlt und anschließend, nachdem der abgekühlte Formkörper dazu eine ausreichende Steifigkeit besitzt, dem Werkzeug entnommen. Für die Formkörperherstellung wird in der Regel zunächst ein Halbzeug hergestellt, das den entsprechenden Anteil und die erforderliche Verteilung der Halbzeugkomponenten aufweist. Zur Zeit werden mehrere Halbzeugtypen in der Praxis eingesetzt, die alle üblicherweise die Bezeichnung GMT tragen, sich in Aufbau, Herstellung und Eigenschaften jedoch unterscheiden (Derek H., "Verarbeitungsverhalten von GMT - Prüfung und Qualitätssicherung", Tagungsband 25. Int. AVK-Tagung, Berlin, 1993). Für die Halbzeugherstellung werden Glasfaserbündel oder -rovings verwendet, die länger als 10 mm sind. Einige Halbzeuge enthalten neben dem Thermoplasten regellos angeordnete Faserrovings oder -bündel, gezielt ausgerichtete Faserrovings oder -bündel oder eine Kombination dergleichen, die durch einen Vernadelungsprozeß mechanisch miteinander verbunden sein können. Andere Halbzeuge (Kurzfaser-GMT) werden in einem Verfahren hergestellt, das der Papierherstellung ähnlich ist, beispielsweise durch Einmischung von geschnittenen Fasern mit einer Länge von 10-100 mm und Thermoplastpartikeln oder -pulver in einem Schaum oder Flüssigkeit und anschließende flächige Ablagerung, Trocknung und Kompaktierung. Wieder andere Halbzeuge, beispielsweise in Form länglichen Granulats oder länglicher Stäbchen, mit einer Durchschnittslänge zwischen 10-100 mm, bestehen aus einem Thermoplast sowie Glasfaserrovings oder -bündeln der gleichen Länge, die nach Plastifizierung in einem Ofen oder sonstigem Plastifiziergerät in einem Preßwerkzeug eingegeben und verpreßt werden. Weitere Halbzeuge bestehen aus mittels Wirbelluft trocken gemischten Glasfasern und Thermoplastpulver, die direkt in das Preßwerkzeug geblasen werden und durch einen erzeugten Unterdruck an der perforierten Werkzeugwand hängen bleiben, bis das Preßwerkzeug zur Konsolidierung des faserverstärkten Materials geschlossen wird. Ferner gibt es Halbzeuge auf der Basis einer Fasermatte, die im Krempelverfahren hergestellt werden. Diese und ähnliche Halbzeugarten werden alle üblicherweise unter dem Namen Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) zusammengefaßt, bei der die wesentlichen Elementen sind, daß ein thermoplastisches Material mit 20-40 Gew.-% Glasfasern mit einer Länge größer als 10 mm verstärkt ist und außerdem ein wesentlicher Anteil der Glasfasern regellos angeordnet ist.Glass mat reinforced thermoplastics (G MT) are due to their good mechanical and physical properties, easy processability and Favorable price-performance ratio increasingly as a material for light to moldings subject to moderate stress u. a. from the automotive industry and the Electrical engineering used. A fiber-reinforced one is used in the production of molded articles thermoplastic material, with a fiber content between 20-40 wt .-% and a fiber length greater than 10 mm, above the softening point of the Thermoplastics heated and then in a tool whose temperature lies below the freezing point of the thermoplastic, transferred, pressed, cooled and then, after the cooled molded body has sufficient rigidity, taken from the tool. For the Shaped body production is usually first a semi-finished product that the corresponding share and the required distribution of Has semi-finished components. There are currently several types of semi-finished products in the Used in practice, all of which are usually called GMT However, the structure, manufacture and properties differ (Derek H., "Processing behavior of GMT - testing and quality assurance", Conference proceedings 25th Int. AVK conference, Berlin, 1993). For the production of semi-finished products fiber bundles or rovings longer than 10 mm are used. Some semi-finished products contain randomly arranged ones in addition to the thermoplastic Fiber rovings or bundles, targeted fiber rovings or bundles or a combination of the like that is mechanical by a needling process can be connected. Other semi-finished products (short fiber GMT) will be made in a process similar to papermaking, for example by mixing cut fibers with a length of 10-100 mm and thermoplastic particles or powder in a foam or Liquid and subsequent flat deposition, drying and Compacting. Still other semi-finished products, for example in the form of elongated ones Granules or elongated sticks, with an average length between 10-100 mm, consist of a thermoplastic and glass fiber rovings or bundles of same length after plasticizing in an oven or other Plasticizer entered and pressed in a press tool. Further Semi-finished products consist of glass fibers and dry mixed by means of vortex air Thermoplastic powders that are blown directly into the press tool and through a negative pressure generated sticks to the perforated tool wall, until the pressing tool for consolidating the fiber-reinforced material is closed. There are also semi-finished products based on a fiber mat, which in Carding processes are made. These and similar types of semi-finished products will be all usually under the name glass mat reinforced thermoplastics (GMT) summarized, in which the essential elements are that a thermoplastic material with 20-40 wt .-% glass fibers with a length greater than 10 mm reinforced and also a significant proportion of the glass fibers is randomly arranged.

Die Wanddicke von GMT-Formteilen wird im Hinblick auf den sparsamen Umgang mit diesem Leichtbauwerkstoff sowie die Verkürzung der Zykluszeit in der Regel minimiert. Die sich daraus ergebende Reduzierung des Trägheitsmomentes kann bisher nur durch z. B. Rippen und Sicken wettgemacht werden. Diese verursachen eine Zunahme der Einbauhöhe des Formkörpers, die nicht selten zu Problemen in der Gesamtkonstruktion führt.The wall thickness of GMT molded parts is considered with regard to economical use with this lightweight material as well as reducing the cycle time as a rule minimized. The resulting reduction in the moment of inertia can so far only through z. B. Ribs and beads can be made up for. Cause this an increase in the installation height of the molded body, which often leads to problems in of the overall construction.

In DE-OS-37 41 539 wird ein Verfahren beschrieben, womit die Wanddicke von Formteilen aus einem Verbundwerkstoff zumindest in Teilbereichen um mindestens 10% zunimmt. Das Verfahren ist in der beschriebenen Form jedoch nicht für fließfähige Werkstoffe geeignet. Mit dem beschriebenen Verfahren ist es außerdem ohne den Einsatz von separaten Deckschichten nicht möglich, geschlossene Formteiloberflächen zu erzeugen. Weiterhin ist es mit dem beschriebenen Verfahren nicht möglich, den Materialanteil von Kern und Deckschicht über den Prozeß zu steuern.DE-OS-37 41 539 describes a method by which the wall thickness of Molded parts made of a composite material at least in some areas increases at least 10%. However, the procedure is as described not suitable for flowable materials. With the described method it is also not possible without the use of separate cover layers, to produce closed molding surfaces. Furthermore, it is with the described method not possible, the material content of core and Control the top layer over the process.

Das angemeldete Verfahren beinhaltet eine Steigerung des Formkörperträgheitsmomentes durch Anwendung einer Sandwich-Bauweise. Die so über das Bauteil zumindest in Teilbereichen flächig verteilte Zunahme des Trägheitsmomentes erlaubt bei vergleichbaren Eigenschaften eine flachere Bauweise als mit diskreten Rippen und Sicken. Außerdem kann die Sandwich- Bauweise Vorteile bei der Wärme- und Schalldämmung bieten.The registered procedure includes an increase in Shaped moment of inertia by using a sandwich construction. The thus over the component, at least in partial areas, an areal increase in The moment of inertia allows a flatter one with comparable properties Construction as with discrete ribs and beads. In addition, the sandwich Construction offer advantages in heat and sound insulation.

Das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Nutzung der Rückstellkraft der deformierten, regellos angeordneten Fasern des unter dem Preßdruck komprimierten und mit Thermoplast imprägnierten Glasfasergebildes.The procedure described here is based on the use of the restoring force of the deformed, randomly arranged fibers of the under the pressure compressed and thermoplastic impregnated glass fiber structure.

Zur Herstellung der Sandwich-Formkörper wird über den Erweichungspunkt aufgewärmtes, faserverstärktes thermoplastisches Material in ein Preßwerkzeug eingegeben, das anschließend unmittelbar geschlossen wird. Durch Abkühlung des faserverstärkten thermoplastischen Materials an der Werkzeugwand wird die Außenschicht des Materials eingefroren. Nachdem eine dünne, geschlossene Oberflächenschicht unter den Erweichungspunkt des Thermoplasten abgekühlt und damit eingefroren ist, wird nach dem hier angemeldeten Verfahren das Preßwerkzeug entlastet oder von der Presse leicht geöffnet. Die Rückstellkraft des verformten Glasfasergebildes im noch schmelzeflüssigen Kern bewirkt ein Aufblähen des Formkörpers zu einem Sandwich-Bauteil mit einer geschlossenen Außenhaut und einem mit Hohlräumen gefüllten Kern. Von dem Aufblähen der noch schmelzeflüssigen Kerne sind primär die Formkörperflächen betroffen, die senkrecht zur Werkzeugschließbewegung orientiert sind. Dies macht das hier beschriebene Verfahren besonders attraktiv für relativ flache Formkörper, wie beispielsweise Deckel, Geräuschabschirmungen und Motorkapsel.To manufacture the sandwich molded body is about the softening point warmed, fiber-reinforced thermoplastic material in a press tool entered, which is then immediately closed. By cooling of the fiber-reinforced thermoplastic material on the tool wall Frozen outer layer of the material. Having a thin, closed Surface layer cooled below the softening point of the thermoplastic and is thus frozen, it will be after the procedure registered here Press tool relieved or slightly opened by the press. The restoring force of the deformed glass fiber structure in the still molten core causes Inflate the molded body into a sandwich component with a closed one Outer skin and a core filled with cavities. From the swelling of the still molten cores are primarily affected by the surfaces of the moldings that are oriented perpendicular to the tool closing movement. This is what it does here described method particularly attractive for relatively flat moldings, such as for example covers, noise shields and motor capsules.

Die unterschiedliche Herstellung und Art des verstärkenden Fasergebildes im Thermoplast bedingt ein unterschiedliches Aufblähverhalten der einzelnen faserverstärkten Thermoplaste. So wird die Wanddicke einer thermoplastischen Platte - mit darin enthalten eine vernadelte Fasermatte mit einem hohen Anteil an Fasern in Dickenrichtung - bei Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens durch die Behinderung von in den beiden Schichten eingefrorenen Fasern nur geringfügig zunehmen. Ein anderes faserverstärktes thermoplastisches Material, beispielsweise das, welches in einem Verfahren ähnlich der Papierherstellung hergestellt wurde, weist nur einen geringen Anteil der regellos verteilten Verstärkungsfasern in der Dickenrichtung der Halbzeugplatte auf. Durch Aufblähen ohne Druck kann das Halbzeug eine Dicke, die mehr als das Dreifache der Halbzeugdicke in kompaktierter Form beträgt, aufweisen. Die Dicke der Deckschichten der nach dem angemeldeten Verfahren Sandwich-Formkörper richtet sich nach den Prozeßbedingungen während der Preßphase und der anschließenden Entlastungsphase.The different manufacture and type of reinforcing fiber structure in the Thermoplastic causes different inflation behavior of the individual fiber reinforced thermoplastics. So the wall thickness of a thermoplastic Plate - with contained a needled fiber mat with a high proportion of Fibers in the thickness direction - using the method described here by hindering fibers frozen in the two layers only increase slightly. Another fiber reinforced thermoplastic material, for example that which is in a process similar to paper making produced, shows only a small proportion of the randomly distributed Reinforcing fibers in the thickness direction of the semi-finished plate. By Inflation without pressure, the semi-finished product can have a thickness that is more than three times the semi-finished product is in compact form. The thickness of the Cover layers of the sandwich moldings according to the registered process depends on the process conditions during the pressing phase and subsequent relief phase.

Examples

In einem Tauchkantenwerkzeug mit einer flachen Kavität von 400 × 400 mm, das auf einer geregelten servohydraulischen Presse aufgespannt war, wurden GMT- Zuschnitte nach herkömmlichen und hier angemeldeten Verfahren verpreßt und bewertet. Die Werkzeugtemperatur betrug 70°C. Als Halbzeug wurde einmal ein Kurzfaser-GMT mit 40 Gew.-% Glasanteil verwendet, daß in einem Verfahren ähnlich der Papierherstellung produziert wurde (Material A). Die Faserlänge beträgt vor der Halbzeugherstellung 30-60 mm. Durch Faserbrüche während der Halbzeugherstellung kann es teilweise zu einer Verkürzung der Fasern kommen, aber eine schonende Verarbeitung gewährleistet in jedem Fall eine Durchschnittslänge im Halbzeug von mehr als 10 mm. Als Alternative dazu wurde ein GMT-Material verarbeitet, das auf vernadelten Glasfasermatten basiert (Material B). Der Glasfasergehalt betrug in diesem Fall 20 Gew.-%. Die Glasfasern liegen in Endlosrovingform vernadelt im Halbzeug. Durch die Vernadelung kann es zu Faserbrüchen kommen, was aber den Endloscharakter der Rovingbündel nicht maßgeblich antastet. Die Halbzeugzuschnitte wurden in einem Umluftofen auf 220°C vorgewärmt.In a plunge edge tool with a flat cavity of 400 × 400 mm, the on a controlled servo-hydraulic press, GMT Blanks pressed according to conventional and registered processes and rated. The tool temperature was 70 ° C. Once was a semi-finished product Short fiber GMT with 40 wt .-% glass that used in one process similar to paper production (material A). The fiber length is 30-60 mm before the semi-finished product is manufactured. Due to fiber breaks during the Semi-finished products can sometimes shorten the fibers, but careful processing guarantees in any case Average length in the semi-finished product of more than 10 mm. As an alternative to that processed a GMT material based on needled fiberglass mats (Material B). The glass fiber content in this case was 20% by weight. The glass fibers are needled in continuous roving in the semi-finished product. Through the needling there are fiber breaks, but what the endless character of the roving bundles not significantly affected. The semi-finished products were cut in a convection oven preheated to 220 ° C.

Das herkömmliche Verarbeitungsprogramm ¢1 lautet:
Schließgeschwindigkeit ab Materialkontakt: 5 mm/s;
Umschaltkraft 6300 kN;
Aufbau Preßkraft 6500 kN in 0,2 s;
Haltezeit 20 s;
Entlasten, Öffnen und Formkörper entnehmen.The conventional processing program ¢ 1 is:
Closing speed from material contact: 5 mm / s;
Switching force 6300 kN;
Build press force 6500 kN in 0.2 s;
Holding time 20 s;
Relieve, open and remove molded part.

Ein für das angemeldete Verfahren modifiziertes Verarbeitungsprogramm ¢2 lautet:
Schließgeschwindigkeit ab Materialkontakt 5 mm/s;
Umschaltkraft 6300 kN;
Preßkraft von 6300 kN 2 s halten;
Abbau Preßkraft in 0,5 s;
Anheben des Stößels um 4 mm
Haltezeit 100 s;
Entlasten, Öffnen und Formkörper entnehmen.A processing program ¢ 2 modified for the registered process is:
Closing speed from material contact 5 mm / s;
Switching force 6300 kN;
Hold press force of 6300 kN for 2 s;
Reduction of press force in 0.5 s;
Raise the ram by 4 mm
Holding time 100 s;
Relieve, open and remove molded part.

Claims

1. A process for producing a shaped body based on a fiber-reinforced thermoplastic material with a fiber content between 20-40% by weight in any, in particular random arrangement and fiber length greater than 10 mm, characterized in that
that preheated material above the softening point of the thermoplastic is introduced into a tool whose temperature is below the freezing point of the fiber-reinforced material, pressed and held under pressure until a thin layer of the fiber-reinforced material has solidified on the tool wall, and
that the tool clamping force is then reduced and the restoring force of the deformed fibers causes the still molten core to bulge and the core of the molded body subsequently has cavities.

2. The method according to claim 1, characterized, that the fiber content is 15-80 wt .-%.

3. The method according to claim 1, characterized, that the tool from the clamping unit after solidification Skin layer of the molded body is opened and the molding thickness increases by at least 5% at least in some areas.

4. The method according to claim 1, characterized, that the reinforcing fibers in the thermoplastic material predominantly in roving or fiber bundle form.

5. The method according to claim 1, characterized, that the reinforcing fibers in the thermoplastic material predominantly are in roving form or fiber bundle form and are needled.

6. The method according to claim 1, characterized, that the reinforcing fibers in the thermoplastic material predominantly exist as single filaments.

7. The method according to claim 1, characterized, that the reinforcing fibers in the thermoplastic material a share contains from 10 to 50 wt .-% of targeted fibers.

8. Shaped body consisting of a fiber-reinforced thermoplastic Materials, characterized, that it was produced by a method according to claim 1.

9. Shaped body according to claim 8, characterized, that it consists of a fiber-reinforced thermoplastic material, a fiber content of 20-40% by weight, a fiber length of more than 10 mm and any, especially random arrangement of the fibers has, the outer skin forming a closed surface and the core has cavities created by swelling.

10. Shaped body according to claim 8, characterized, that the fiber content is 15-80 wt .-%.

11. Shaped body according to claim 8, characterized, that as a thermoplastic material a fiber reinforced thermoplastic from the group polyester, polyamide, polyethylene, polyurethane, Polyoxymethylene, polycarbonate, polyether ketone, polyethylene terephthalate, Acrylic butadiene styrene, polyphenylene sulfide, polypropylene or polystyrene is used.

12. Shaped body according to claim 8, characterized, that as a thermoplastic material a fiber reinforced thermoplastic copolymer is used.

13. Shaped body according to claim 8, characterized, that the fibrous reinforcement of the thermoplastic material Glass, carbon, aramid, metal, flax, jute or a hybrid these fibers.

14. Shaped body according to claim 8, characterized, that the fiber-reinforced thermoplastic material ent also voids holds ent by the gases attached and / or released therein stood.