Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbuπd- werkstoffen, zugehörige Erzeugnisse und Vorprodukte.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist aus der deutschen Patentanmeldung 1 03 1 4 901 Al bekannt. Spinnfaden aus Glasfasern, die durch Einbetten von thermoplastischen Mikrohohlkorpern voluminisiert worden sind, werden mit Hilfe einer Harz-Faser-Spπtzpistole auf eine Negativform aufgespritzt. Dabei werden gleichzeitig die Endlos-Spinnfaden mit Hilfe eines Schneidwerkes in Stapelfasern von beispielsweise 3 cm Lange zerhackt und gemeinsam mit einem Spruhstrahl aus hartbarem Harz wie ungesättigtem Polyester auf eine Negativform aufgespritzt.

Aus der EP 0 222 399 A2 ist bekannt, Faserverbundwerkstoffe herzustellen, indem man geeignete Fasermaterialien mit duroplastischen Kunststoffharzen wie z.B. Polyester, Epoxydharze oder Amino- und Phenoplasten trankt, drucklos beispielsweise in einer offenen Negativform formt und aushärtet. Es wird gemäß der EP 0 222 399 A2 weiter vorgeschlagen, die Elementarfaden von eingesetzten Verstarkungsmaterialien mit Hilfe von Hohlkugelchen aufzuspreizen. Es treten bei diesen sogenannten offenen Laminierverfahren nachteilhaft unerwünschte Emissionen aufgrund der Verwendung von Harzen auf. Auch ist die rückseitige Oberflache eines resultierenden Formteils relativ uneben und zwar vor allem im Vergleich zur Vorderseite, die an der Innenwand der Negativform wahrend der Herstellung anlag,

Zunehmend wird die Anwendung geschlossener Laminierverfahren versucht, um die unerwünschten Emissionen zu vermeiden und um die Fertigungsprozesse wirtschaftlicher zu gestalten.

Bekannt ist, Fasern zusammen mit dem Harz in eine Negativform zu bringen und diese dann zu verschließen. Nachteilhaft hieran ist, dass vor dem Verschließen Emissionen auftreten Auch kann die benotige Menge an Harz nicht genau genug dosiert werden Dies fuhrt zu qualitativen Einbußen beim resultierenden Formteil.

Fasern, die der Verstärkung dienen und die daher Verstarkungsfasern oder Verstarkungsmaterial genannt werden, werden zur daher bevorzugt trocken in eine entsprechende Negativform eingelegt. Die Negativform wird zunächst mit einer geeigneten Gegenform verschlossen Nach dem Schließen mit der Gegenform wird Harz in die geschlossene Gesamtform injiziert bzw infundiert Emissionen können so verhindert werden und die Menge an benötigtem Harz kann besser dosiert werden

Zwei Verfahren sind dabei von Bedeutung und zwar das sogenannte RTM-Verfahren (resin transfer moulding) und das so genannte VIP- Verfahren (vacuum Infusion process).

Bei dem RTM-Verfahren bestehen Negativform und Gegenform, also zwei Formhalften aus jeweils stabilen, also massiven Teilen Die Teile können aus Stahl oder Aluminium bestehen. Um Kosten für die Bereitstellung der Formen zu reduzieren, bestehen diese aus Kunststoff und zwar vor allem dann, wenn in kleinen Stuckzahlen hergestellt wird

Bei dem VIP-Verfahren ist nur eine Formhalfte massiv und die andere Formhalfte besteht aus einer dünnen, preiswerten Kunststofffolie

Wahrend beim RTM-Verfahren die beiden Formhalften mechanisch geschlossen und unter Verschluss gehalten werden, wird beim VIP- Verfahren mit Hilfe einer geeigneten Vakuumpumpe der Formenschluss durch Unterdruck erzeugt Nach dem Schließen der Formhalften wird beim RTM-Verfahren das flussige Harz unter Druck bis zur vollständigen Füllung des vorgegebenen Formspaltes in die Formzwischenraume ge- presst, wobei durch den Druck das flussige Harz die zwischen den Formen befindlichen Verstarkungsfasern durchdringt Dieser Formspalt ent-

spricht später der Materialstärke des auf diese Weise hergestellten aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Formteils. Bei dem VIP- Verfahren wird das flüssige, härtbare Harz durch das erzeugte Vakuum zwischen die beiden Formhälften eingesogen und zwar so, dass auch bei diesem Verfahren die zwischen den Formhälften liegenden trockenen Verstärkungsfasern vollständig benetzt werden. Die Injektion von Harz mit Hilfe von Druck bzw. das Infundieren mit Hilfe von Unterdruck in geschlossenen Gesamtformen zur Herstellung von Verbundwerkstoffen geht aus der deutschen Patentschrift DE 69003436 T2 hervor.

Um die beiden vorgenannten Verfahren durchführen zu können, muss eine hinreichend hohe Elastizität und Rücks.tellfederkraft der verwendeten Faserkomplexe vorhanden sein. Beim RTM-Verfahren werden durch die Rückstellkraft die unvermeidlichen Spalttoleranzen nach dem Schließen der Form ausgeglichen. Zwar haben die Formen zur Herstellung bestimmter Wandstärken der hergestellten Formteile einen SoII- Abstand, der aber erheblich von der Norm und zwar zum Teil um 50% und mehr abweichen kann. Nur wenn die Faserlagen zuverlässig und mit dem entsprechenden Pressdruck an die beiden Innenwände der beiden Formteile angedrückt werden, kann hier eine Überspülung der Fasern mit Harz beim späteren Injizieren vermieden werden.

Um eine solche Rückstellkraft zu erzielen, werden bei schichtweise aufgebauten Faserlagen die eigentlichen Verstärkungsfasern aus Hochmodulfasern wie Glas-, Carbon- oder Aramidfasern im Außenbereich und spezielle Faserlagen mit hoher Rückstellfederkraft im Kernbereich vorgesehen. Diese rückfedernden Lagen können aus Kunststoffmonofila- menten bestehen, wie sie in der DE 69003436 T2 beschrieben werden. Als rückfedernde Lagen können aber auch gewirkte oder gestrickte Faserlagen aus Kunststoff- oder Glasfasern eingesetzt werden. Ferner können Endlosglasfasern, wie sie im Markt unter der Bezeichung „continu- ous Strand mat" bekannt sind, verwendet werden.

Bei den beschriebenen Faserlagen aus Glas- oder Kunststofffilamenten wird Druck durch die mechanisch federnden Kernlagen erzeugt. Die

Komprimierbαrkeit kann relativ schlecht kontrolliert werden. Insbesondere beim Vakuumverfahren ist eine Kontrolle der verbleibenden und gewünschten Materialstärke sehr schwierig, weil der Kompressionsgrad dieser Art von Matten sehr hoch ist und das Material bis zu 80% seiner Ausgangsstärke einbüßen kann. So hergestellte Faserverbundwerkstoffe weisen daher relativ schlechte mechanische Eigenschaften auf.

Aus Gründen einer wirtschaftlichen Verarbeitungsweise werden den Verarbeitern geeignete Faserlagen in der Regel als fertige, mehrschichtige Komplexe angeliefert, indem man verschiedene übereinandergelegte Schichten des Verstärkungsmaterials durch einen Vernadelungs- oder Nähwirkprozess miteinander verbindet. Ein derartiger Komplex ist in der Patentschrift DE 69003436 T2 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wirtschaftlich und umweltfreundlich einen Faserverbundwerkstoff mit guten mechanischen Eigenschaften herstellen zu können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird die erforderliche Rückstellkraft durch eingebettete Mikrohohlkügelchen bzw. Mikrohohlkörper erzeugt. Überraschend wurde nämlich festgestellt, dass so eine im Vergleich zum Stand der Technik besser kontrollierbare Rückstellkraft bereitgestellt werden kann.

In der Praxis hat es sich bewährt, eine ungeblähte Vorstufe der Mikrohohlkügelchen in das Fasermaterial einzubringen und die Mikrohohlkügelchen dann zu volumisieren. Bevorzugt werden dabei Hochmodulfasern, wie z.B. Glasfasern verwendet. Das Fasermaterial mit den darin

befindlichen Hohlkugeln, -kügelchen oder -körpern wird in eine geschlossene Gesαmtform im eingangs genannten Sinn gebracht. Harz wird in die Gesamtform gebracht und so schließlich ein aus Faserverbundwerkstoff bestehendes Formten hergestellt.

Vor allem besteht die Kernlage aus volumisierten Fasern. Aus Kosten und Gewichtsgründen werden Kunststofffasern und/ oder Glasfasern für die Kernlage vorgesehen. In Betracht kommen ferner preiswerte Naturfasern wie Sisal- oder Kokosnussfasern. Die Kernlage befindet sich dann vor allem zwischen Lagen aus nicht volumisierten Hochmodulfasern, die vor allem für die Biegeeigenschaften der Wände des späteren Formteils verantwortlich sind. Bevorzugt werden daher Glas-, Carbon- und/ oder Aramidfasern für die außen liegenden Lagen eingesetzt.

Innerhalb der Gesamtform wird bei den mit elastischen Mikrohohlkugeln bzw. -körpern volumisierten Fasern beim Zusammenpressen ein gashydraulischer Gegendruck erzeugt, der nicht nur in der prozentualen Komp- rimierbarkeit besser kontrollierbar ist, sondern noch weitere zusätzliche positive Eigenschaften mit sich bringt. Während bei den oben beschriebenen mechanisch federnden Faserlagen insbesondere in Vakuumverfahren eine Kontrolle der verbleibenden und gewünschten Materialstärke sehr schwierig ist, weil der Kompressionsgrad dieser Art von Matten sehr hoch ist und das Material bis zu 80% seiner Ausgangsstärke einbüßen kann, bauen dagegen die Mikrohohlkugeln einen gashydraulischen Gegendruck auf, der insofern besser kontrollierbar ist, weil die geschlos- senzelligen, mit Gas gefüllten Hohlkügelchen lediglich deformiert, aber in ihrem Gasvolumen auch durch höheren Druck nicht reduziert werden oder zumindest vergleichsweise wenig. Dies ist insbesondere beim Vakuumverfahren der Fall, bei denen mit Drücken zwischen 0,2 und 0,8 bar gearbeitet wird, aber auch vor allem bei einem RTM-Verfahren, bei dem die beiden Formhälften aus Kunststoff bestehen. Das Ergebnis ist, dass gegenüber den oben beschriebenen mechanisch wirkenden Faserpaketen, die bis zu 80-85 % ihrer Ausgangsstärke verlieren können,

die Fαserpαketθ mit Mikrohohlkugeln bei vergleichbarem Druck nur zwischen 25 und max. 40% ihrer Ausgangsstarke verlieren Das Ergebnis sind Verbundwerkstoffe, die z.B. im Vakuumverfahren erheblich höhere Wandstarken ergeben und damit Verbundwerkstoffe mit sehr viel höheren Biegesteifigkeiten.

Ein weiterer erheblicher Vorteil bei Verwendung der volumisierten Fasern besteht darin, dass der weiche, anpassungsfähige Anpressdruck der Mikrohohlkugeln nicht zu einem Strukturabdruck (print through effect) an der Formteiloberflache fuhrt. Dies ergibt weitaus optisch bessere Formteiloberflachen. Durch das Verfahren nach der Erfindung resultieren Im Unterschied zum Stand der Technik Formteile mit gleich glatten Wanden auf Vorder- und Ruckseite mit im Formteil befindlichen Mikrohohlkugeln bzw. Hohlkörpern. Insbesondere die Kernlage weist die volumisierten Fasern auf. Die Lagen auf der Oberfläche bestehen in der Regel aus Hochmodulfasern.

Bei zunehmender Komprimierung wird ferner durch die Verdichtung der Mikrohohlkugeln die Menge der Harzmatrix reduziert und das spezifische Gewicht eines derartig hergestellten Formteils ebenfalls reduziert. Bei den Fasermatten, die mit mechanischen Ruckstellspannungen arbeiten, tritt genau der umgekehrte Effekt ein, indem je nach Pressung die Faserverdichtung immer hoher wird und damit auch das spezifische Gewicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist ein Komplex umfassend eine Kernlage mit darin befindlichen Mikrohohlkugeln oder Mikrohohlkorpern eine Vorkomprimierung auf. Die verschiedenen Schichten bzw. Lagen des Komplexes sind insbesondere derart miteinander verbunden bzw. verbunden worden, dass im verbundenen Zustand die Mikrohohlkugeln bzw. -korper einen gashydraulischer Druck ausüben. Die Mikrohohlkugeln sind dann vorgespannt. Diese Vor- komprimierng kann durch die Verdichtung der volumisierten Faserlagen

gezielt eingestellt werden. Es können so gezielt gewünschten Eigenschaften des daraus herzustellenden Formteils gesteuert werden.

Ohnehin hat die Einbettung der Mikrohohlkugeln den erheblichen Vorteil, die Harzaufnahmefähigkeit entsprechend dem Volumen der Mikro- kugeln zu reduzieren und somit das spezifische Gewicht eines daraus hergestellten Formteiles zu verringern. Je höher bei der Komplexherstellung dieser Komprimierungsgrad Ist, desto geringer wird die Harzaufnahme und damit das Gewicht des daraus hergestellten Formteils. Das Ergebnis sind entweder dickwandigere Formteile mit einem vergleichbaren Gesamtgewicht, die gegenüber den eingangs beschriebenen aus nicht volumisierten Faserlagen hergestellten Formteilen eine erheblich höhere Biegesteifigkeit haben oder Formteile mit gleicher Wandstärke und ähnlichen mechanischen Festigkeiten mit einer Gewichtseinsparung von 30-50%.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei den verwendeten Mattenkomplexen mit den darin befindlichen Mikrohohlkugeln durch eine vorgegebene Anordnung der Fasern erreicht, dass eine ausreichende Durchdringungsgeschwiπdigkeit der flüssigen Harze gewährleistet ist. So werden in einer Ausführungsform zwischen parallel liegenden volumisierten Endlosfasersträngen Drainagelücken erzeugt. Die Erzeugung der Drainagelücken gelingt in einer Ausführungsform der Erfindung, indem volumisierte Faserstränge, also Faserstränge mit darin eingebetteten Mikrohohlkugeln bzw. Mikrohohlkörpern nicht direkt nebeneinander, sondern auf Lücke gelegt werden. In einer anderen Ausgestaltung werden volumisierte, geschnittene Stapelfasern verwendet und durch die Grobheit der erzeugten Struktur geeignete Drainageöffnungen erzeugt. Dies gelingt vor allem, indem volumisierte Faserstränge zu Schnittstapeln ungeordnet und zweidimensional übereinandergestapelt werden. Wie bei der Anhäufung von Streichhölzern ergibt sich eine sehr offene Struktur, die in diesem Zustand zu einem Komplex verbunden wird. Auch die Verwendung von Lagen aus vernadelten Monofilamenten aus z.B. Glas- oder Kunststofffasern (Polyester, Polyamid, Polypropylen etc.)

vermag die Durchdringungsgeschwindigkeit des Harzes zu erhohen. Weitere Beispiele werden in den Ansprüchen genannt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden neben Mikrohohlkugeln weitere Elemente eingesetzt, die dazu bestimmt und geeignet sind, die Durchdringungsgeschwindigkeit des Harzes im Verstarkungsmaterial zu erhöhen. Es können kurze Schlauchstucke eingesetzt werden und zwar vor allem innerhalb von geschnittenen Faserstapeln Besonders zu bevorzugen sind dünne perforierte Hohlschlauche und zwar vor allem sogenannte Endlosschlauche. Solche Endlosschlauche werden vorzugsweise im Fall von gelegen eingesetzt.

Verzwirnte Monofilamente sind ebenfalls geeignet. Die Anordnung derartiger Drainagehilfen kann zwischen den volumisierten Fasern oder neben den volumisierten Fasern erfolgen.

Drainagehilfen wie die genannten Schlauche oder Monofilamente sind insbesondere dann von Vorteil, wenn aus prozesstechnischen Gründen eine höhere Drainagegeschwindigkeit gewünscht wird oder das Verstarkungsmaterial, so zum Beispie ein Komplex sehr stark komprimiert wurde. Durch eine starke Komprimierung entsteht nämlich eine hohe Verdichtung der volumisierten Fasern. Die Durchlässigkeit für Harz wird so reduziert. Dem kann durch Hinzufugen von zusatzlichen Drainagehilfen entgegengewirkt werden.

Beispiel 1

Ein Fadengelege aus volumisierten Glasfasergarnen (Kernbereich) mit einem Faserdurchmesser von 2,0 mm und einem Gewicht von 200 lex wird beidseitig belegt mit Lagen aus Glasfaserrovings (jeweils + 45 / - 45° ca. 400 g/m ² ) und durch einen Nahwirkprozess mit geeigneten Nahgarnen von 1 70 dtex zu einem verarbeitungsfertigen Komplex miteinander verbunden. Unter einem volumisierten Garn wird ein Garn mit darin befindlichen Mikrohohlkugeln bzw, Mikrohohlkorpern verstanden.

Der Komplex wird in eine geschlossene Gesαmtform gebracht und Harz eingeleitet. Nach dem Aushärten des Harzes liegt das gewünschte faserverstärkte Formteil vor.

Beispiel 2

Ein Komplex wie unter 1 beschrieben wird mit einer zusätzlichen Drai- nagehilfe im Kernbereich, bestehend aus vernadelten Kunststoffmonofi- lamenten mit einem Gewicht von ca. 1 50 g/m ² versehen. Der Komplex wird in eine geschlossene Gesamtform gebracht und Harz eingeleitet. Nach dem Aushärten des Harzes liegt das gewünschte faserverstärkte Formteil vor.

Beispiel 3

Ein Komplex wird aus zwei 5 mm starken Kernlagen von mit Mikrokugeln volumisierten und mechanisch vorkomprimierten Glasfaservliesen mit einem Gewicht von ca. 150 g pro Lage und einer dazwischen befindlichen zusätzlichen Drainagehilfe aus vernadelten Monofilamenten von ca. 150 g/m ² gefertigt. Durch einen Nähwirkprozess mit geeignetem Nähfaden von 1 70 d-tex werden die Lagen miteinander verbunden.

Der Komplex wird in eine geschlossene Gesamtform gebracht und Harz eingeleitet. Nach dem Aushärten des Harzes liegt das gewünschte faserverstärkte Formteil vor.

Figur 1 zeigt schematisch eine Negativform 1 , die durch eine Folie 2 verschlossen ist. Innerhalb dieser Gesamtform gibt es eine aus Fasern gebildete Kernlage 3 mit Mikrohohlkugeln 4. Die Kernlage wird von Bereichen 5 umhüllt, die durch Hochmodulfasern gebildet werden.

Innerhalb einer solchen Form wird ein Vakuum erzeugt und Harz infundiert. Nach dem Ausharten des Harzes wird das Formteil aus der Gesamtform entnommen. Das so hergestellte Formteil weist an Vorder- und Ruckseite glatte Wände auf. Im Inneren des Formteils befinden sich dann die Mikrohohlkugeln.