CH686820A5 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Verformung von Halbzeugen aus thermoformbaren Verbundwerkstoffen. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Verformung, insbesondere zum Biegen, von Halbzeugen aus thermoformbaren Verbundwerkstoffen zu Formteilen gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 17.

Begriffe

Thermoformbare Werkstoffe sind Werkstoffe, die mit Mitteln der Erwärmung und Druckerzeugung zu Formteilen umgeformt werden können. Zweck der Erwärmung ist es, den Werkstoff thermoformbar zu machen.

Thermoformbare Verbundwerkstoffe sind Mehrstoffwerkstoffe, die aus mindestens zwei Werkstoffen bestehen; nämlich aus einem ersten thermoformbaren Werkstoff, der mit Mitteln der Erwärmung und der Druckerzeugung formbar ist, und welcher seinerseits zweite Werkstoffe wie z.B. Fasern aus Metall, Kohlenstoff, Glas, Aramid und gegebenenfalls weitere Werkstoffe in anderen Formen miteinander verbindet. Zu den thermoformbaren Werkstoffen zählen sowohl Thermoplaste wie Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetherimid (PEI), als auch Werkstoffe wie Polymethacrylimid-Hartschaumstoff als Werkstoff für den Kern eines Sandwiches. Ein Sandwich in diesem Zusammenhang ist ein Verbundwerkstoff, der aus mindestens einer dünnen Deckschicht, mindestens einem Kern und einer adhäsiven Schicht dazwischen besteht, welche die Deckschicht und den Kern miteinander verbindet. Eine besondere Ausführung von Sandwiches sind jene mit Leichtmetallwaben und/oder Nomex™ (Fa. Du Pont de Nemours) als Kernmaterial. Sind Verbundwerkstoffe thermoformbar, so sind sie mit dem erfindungsgemässen Verfahren umformbar.

Ziel und Zweck der Verwendung von Verbundwerkstoffen ist, die Eigenschaften der einzelnen Komponenten des Verbundes zu kombinieren, um andere und/oder verbesserte Eigenschaften mit dem Verbund zu erhalten. Beispielhaft sei eine metallische Einlage, ein- oder mehrlagig, in eine Thermoplastmasse genannt zwecks Abschirmung oder Schutz vor elektromagnetischen Feldern oder die Verwendung von Kohlenstoff- oder Glasfasern zur Verstärkung eines thermoplastischen Kunststoffes. Auch ein verbessertes Crash-Verhalten oder ein verbessertes Schwingungsverhalten eines Bauteils können den Einsatz von Verbundwerkstoffen rechtfertigen.

Ein thermoformbarer Zustand ist der erwärmte Zustand eines Verbundwerkstoffes, in dem sich der Verbundwerkstoff mit den von der Vorrichtung zur Verfügung gestellten Kräften bleibend verformen lässt. Die für den thermoformbaren Zustand erforderliche Temperatur hängt wesentlich vom Aufbau des Verbundwerkstoffes ab.

Unter Halbzeugen werden Flachkörper, Formkörper oder ähnliche verstanden, die aus thermoformbaren Verbundwerkstoffen bestehen, und die alle Flachkörpersektionen - mindestens an einem freien Ende - aufweisen, d.h. gebietsweise ebene Bereiche.

Liegt ein thermoformbarer Verbundwerkstoff vor, so muss für die Anwendung dieses Verfahrens neben der Bedingung der Thermoformbarkeit das Halbzeug auch konsolidiert sein. Mit dem Ausdruck «konsolidiert» wird ausgedrückt, dass ein schichtweise aufgebautes Halbzeug gebildet ist, bei dem -auch unterschiedliche Zusammensetzung besitzende - Schichten mit der Matrix (=Kunststoff) ver-presst sind. Die Schichten können nach bestimmten Richtungen orientiert sein. Wird ein konsolidierter Verbundwerkstoff erwärmt und ohne Druckanwendung auf den erwärmten Teil abgekühlt, so wird die Adhäsion zwischen den einzelnen Schichten nach der Abkühlung wesentlich herabgesetzt. Diese, im folgenden auch Delamination genannte Reaktion des Werkstoffes entspricht einer erheblichen Veränderung der Eigenschaften desselben im Vergleich zum konsolidierten Zustand vor dessen Erwärmung. Diese Delamination kann verhindert werden, indem mit Mitteln der Druckanwendung Druck auf den erwärmten Teil eines vorher konsolidierten Verbundwerkstoffes aufgebracht wird. Damit wird der Werkstoff «rekonsolidiert».

Stand der Technik

Zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus derartigen Halbzeugen sind verschiedene Verfahren bekannt. Ihnen gemeinsam ist das Aufbringen von Temperatur auf das Halbzeug mit anschliessender Umformung durch Druck. Da die Art der Temperatur- und Druckverteilung zwecks Konsolidierung des Halbzeugs nach dem Umformschritt wichtig ist, wird meistens das gesamte Halbzeug erwärmt und mit Hilfe von Druck auf dem gesamten Halbzeug umgeformt, z.B. im Press-Verfahren: Das Halbzeug wird erwärmt und unter Temperatur und Druck und mit einigen zusätzlichen Hilfsmitteln gegen das Werkzeug umgeformt, ein energie-, weil zeitaufwendiger Prozess. Eine Verbesserung ist, auf das Halbzeug nur begrenzt Temperatur und Druck an der Umformstelle aufbringen zu müssen, um Zeit und Energie zu sparen. Auch der apparative Aufwand hält sich dabei in Grenzen. Nach der Offenlegungsschrift WO 86/03451 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein ebenes, faserverstärktes Thermoplastblech lokal aufgeheizt und gebogen wird. Lokal wird die Erwärmung begrenzt auf die Biegezone, d.h. durch die Differenz zwischen innerem und äusserem Biegeradius ^unterschiedlicher Teilkreisumfang) und die Verwendung von Fasern kommt es zum «Ausbeulen» bzw. «Ausscheren» der Fasern aus der Biege- und Blechebene. Das bedeutet ein Verlust an mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes sowie eine Verletzung des Materials, wenn z.B. ein Einsatz des gebogenen Bauteils in feuchter oder korrosiver Umgebung vorgesehen ist.

Nach der Europäischen Patentanmeldung EP 456 121 - A1 ist ein Verfahren zum Gesenkbiegen bekannt: Auch hier erfolgt eine auf die Biegezone lokal begrenzte Erwärmung eines Halbzeugs, was ein Ausbeulen der Fasern zur Folge hat. Bei Winkeln > 45° knicken die Fasern im Innenkrümmungs-bereich weg - das im Faserverbundbereich bekannte «Fibre Bückling» -, um die Längendifferenz zwi-

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sehen Aussen- und Innenradius zu kompensieren (Composites Polymers Nr. 1, März 1990, S. 31-44, H. Van Dreumel, Origami Technology Creative Manufacturing of Advanced Composite Parts). Das führt zur Aufdickung in der Biegezone und zu einer Reduktion der Festigkeiten des Bauteils in diesem Bereich durch Delamination.

Obwohl dieses «Bückling» als natürliche Folge des Thermofold-Prozesses und als Kompromiss zwischen struktureller Integrität und Fertigungsmachbarkeit zu akzeptieren sei, ergeben sich aus einem derartigen Verfahren Nachteile, denen meistens nur mit weiteren Bearbeitungsschritten begegnet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, bei welchen eine exakte Positionierung und Fixierung des Halbzeugs sichergestellt wird, eine Erwärmung des Halbzeugs im umzuformenden Bereich erzeugt wird, unter Druckeinwirkung eine Verformung erfolgt, eine Re-konsolidierung ermöglicht und eine rasche Abkühlung gewährleistet wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 1 und einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 17 gelöst. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Um 90° gebogenes Halbzeug, bei dem das bekannte Ausbeulen der Schichten auftritt

Fig. 2 Erfindungsgemässes um 90° gebogenes Halbzeug

Fig. 3 Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens

Fig. 4 Vorrichtung zur thermischen Verformung in schematischer Darstellung im Schnitt

Fig. 5 Vorrichtung zur thermischen Verformung nach erfolgter 180°-Verformung in schematischer Darstellung im Schnitt

Fig. 6 Vorrichtung zur thermischen Verformung mit versetztem Werkzeug in schematischer Darstellung im Schnitt

Fig. 7A Thermoverformtes Halbzeug mit konstantem Radius als Verformungsprofil

Fig. 7B Thermoverformtes Halbzeug mit nichtkonstantem Radius als Verformungsprofil

Fig. 1 zeigt ein um 90° gebogenes Halbzeug 10, bestehend aus den Schichten 1-4, bei dem das bekannte Ausbeulen im Bereich 5 der auf der Innenseite der Krümmung liegenden Schichten auftritt. Die Schichten des thermoformbaren Verbundwerkstoffes können nicht frei abgleiten. Somit beulen die Schichten innen aus (Fibre Bückling), da die Enden des Verbundes durch Nichterwärmung fixiert bleiben. Dieses gebogene Halbzeug 10 besitzt auf beiden Seiten glatte Enden.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemässes um 90° gebogenes Halbzeug 20, bestehend aus den Schichten 21-24. Die Schichten des Verbundwerkstoffes gleiten untereinander frei ab, wenn der zu verformende Bereich A-A' des Halbzeugs durch Mittel der Erwärmung in den thermoformbaren Zustand gebracht wird. Dies äussert sich durch ein nach Stufen gegliedertes Halbzeugende auf der einen Seite mit den Schichtenden 21', 22', 23' und 24'. Sind alle Schichten des Halbzeuges im umzuformenden Bereich druckbeständig, d.h. verändern sie ihre Dicke durch die Druckausübung der Mittel zur Verformung nicht wesentlich, so bleibt die Dicke des Halbzeuges im verformten Bereich durch das Abgleiten der Schichten untereinander erhalten.

Fig. 3 zeigt das Flussdiagramm des erfindungs-gemässen Verfahrens in schematischer Darstellung. Ausgangspunkt ist ein thermoformbares Halbzeug. Diese Halbzeuge werden in anderen Verfahren, z.B. Press-, Autoklav- oder Diaphragmaverfahren, durch Aufbringen von Druck und Temperatur hergestellt und besitzen Flachkörpersektionen am einen freien Ende, d.h. gebietsweise ebene Bereiche, die eine Weiterverarbeitung mit den hier vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen erlauben.

1. Einlegen und Positionieren

Auf einer ebenen Arbeitsplatte, die als Grundelement des Verfahrens dient, erleichtern Positionierhilfen das exakte Einlegen des Halbzeugs, wie etwa verschiebbare Anschlagwinkel mit/ohne Skaleneinteilung, in Arbeitsplatte integrierte Vakuumnäpfe, Handhabungsautomaten und dergleichen. Die Arbeitsplatte kann aber auch die Form eines Auflagebalkens aufweisen, wenn z.B. ein bereits erstmals thermoverformtes Halbzeug für eine zweite Verformung eingelegt und positioniert werden soll. Die Arbeitsplatte kann auch Schlitze, Vertiefungen oder dergleichen, aufweisen, in welchen beispielsweise ein bereits erstmals thermoverformtes Halbzeug die verformten Bereiche aufzunehmen in der Lage ist.

Zur Minderung der Adhäsionskräfte beim späteren Verformungsvorgang wird das Halbzeug ein-oder beidseitig mit einer Trennfolie belegt, und/oder es wird die Schwenkwange, das Werkzeug und die Arbeitsplatte mit einem Trennmittel beschichtet.

2. Fixieren

Fixierhilfen halten das Halbzeug an seinen Flachkörpersektionen relativ zur Arbeitsplatte fest, um die eindeutige Zuordnung der Verformungszone auf dem Halbzeug zu gewährleisten. Zu den Mitteln zur Fixierung gehören Klemmeinrichtungen und insbesondere ein Werkzeug, um welches später die Verformung erfolgt und mit welchem Druck auf eine Flachkörpersektion des Halbzeugs erzeugt wird. Hierzu dient ein im wesentlichen senkrecht zur Arbeitsplatte angeordneter Antrieb.

3. Erwärmen

Die Mittel der Erwärmung des Halbzeugs sind zahlreich: Kontaktheizung, Infrarotstrahlungsheizung, Konvektionsheizung (Heissluft), Ultraviolett-Strahlungsheizung, Induktionsheizung, dielektrische Heizung. Die letzteren drei Heizverfahren sind unvorteilhaft, da sie entweder eine zu hohe Strahlungsenergie aufweisen (UV-Strahler) und damit zu

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einem Abbau des Kunststoffes im Halbzeug führen können, eine zu inhomogene Durchwärmung bewerkstelligen (Induktion) oder ihr Einsatz auf nichtleitende Werkstoffe beschränkt bleibt (dielektrische Heizung = Mikrowellenheizung, nicht anwendbar bei Kohlenstofffasern im Halbzeug) sowie der apparative Aufwand momentan noch zu gross ist. Die er-steren 3 Heizverfahren können einzeln oder in Kombination, sowie einseitig oder beidseitig auf den zu verformenden Bereich des Halbzeugs einwirken. Jede Wärmequelle wird auf ein ganz bestimmtes Wirkungsfeld gerichtet, wo sie ihre Leistung primär abgeben soll; es können auch mehrere Wärmequellen auf das gleiche Wirkungsfeld wirken. Vorzugsweise wird eine Infrarot-Strahler-Heizung (kurz IR-Heizung) verwendet. Diese Heizung ermöglicht eine kostengünstige und einfach handhabbare Erwärmung der verwendbaren thermoformbaren Halbzeuge. Abhängig von der Art des zu formenden Halbzeugs ist eine Erwärmung von beiden Seiten des Halbzeugs ratsam, um kürzere Prozesszykluszeiten und eine homogenere, bzw. gleichmässigere Durchwärmung zu erzielen. Zur Steuerung des Aufheizens sind Temperatursensoren wie Thermoelemente, Widerstandstemperaturfühler oder Pyrometer vorzusehen.

4. Verformen

Mittel zum Verformen, bzw. Biegen, des Halbzeugs sind Mittel, die den in den thermoformbaren Zustand gebrachten Bereich des Halbzeugs um das Werkzeug verformen, bzw. biegen, wobei ständig ein Druck anliegt. Dieser Druck wird über eine Schwenkwange auf den zu verformenden Bereich des Halbzeugs übertragen, und zwar entlang einer Linie, bzw. bandähnlichen Zone, entsprechend der Kontaktlinie, bzw. der Kontaktfläche, welche sich durch den Kontakt der Schwenkwange mit dem Halbzeug ergibt. Die Schwenkwange ihrerseits wird durch einen Schwenkmechanismus geführt, welcher die Kontaktlinie, bzw. die Kontaktfläche, nach Ort, Zeit und Druck definiert. Die Verwendung einer automatischen Steuerung für den Schwenkmechanismus, wie auch für den gesamten Ablauf des vorgestellten Verfahrens, ergibt eine hohe Reproduzierbarkeit der thermoverformten Halbzeuge. Zur Formgebung während des Verformungsprozesses dient ein Werkzeug, welches am einen Ende eine Verformungs- bzw. Biegegeometrie aufweist. Unter die Mittel der Verformung fallen auch Hilfen, die die Verformungs-, bzw. Biegegeometrie, sowie die unterschiedlichen Halbzeugdicken kompensieren. Dies können zum einen von einem Verformungsprozess zum anderen fixe Einrichtungen sein, wie etwa Ver-stellschrauben oder Parallelmasse. Zum anderen können es auch variable Hilfen sein, wie etwa ela-stomere Puffer oder pneumatische, elektrische und hydraulische Hilfen. Das Werkzeug ist für die Formgebungsgeometrie verantwortlich. Diese muss aber über die Länge der Schwenkwange nicht notwendigerweise gleich, bzw. einheitlich sein. Vielmehr kann durch die Wahl von verschiedenen Krümmungsradien über die gesamte Länge der Schwenkwange die Formgebung in weiten Grenzen beeinflusst werden. So kann der Übergang von einem konstanten Radius am einen Ende der Biegewange in einen nichtkonstanten Radius am anderen Ende, der aber nur geringfügig vom konstanten Radius abweicht, zu neuen Formgebungen Anlass geben, die mit dem erfindungsgemässen Verformungsvorgang in einem Schritt erzielbar sind. Werden die Unterschiede der Krümmungsradien aber zu verschieden, so wird eine mechanische Unterteilung, bzw. Trennung, der Schwenkwange in mindestens zwei voneinander unabhängig bewegliche, jedoch gleichzeitig schwenkbare Teile unumgänglich. Die Schwenkwange zeichnet sich durch eine besondere Formstabilität bei erhöhten Temperaturen aus. Dies kann durch geeignete Werkstoffauswahl und/oder Profile der Schwenkwange erzielt werden. Ähnliche Anforderungen an die Formstabilität gelten auch für den Schwenkmechanismus, bzw. für die ganze Vorrichtung, sowie deren Bauteile und Baugruppen. Die Schwenkwange weist vorteilhafterweise eine dunkle, matte Oberfläche auf, was die Erwärmung wirkungsvoll positiv beeinflusst. Deren Material weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.

Zur Rekonsolidierung des Halbzeugs, welche anschliessend an die Verformung, bzw. bereits während derselben stattfindet, wird Druck benötigt. Dieser muss auf den in den thermoformbaren Zustand gebrachten Bereich des Halbzeugs aufgebracht werden, während und nach dem Formvorgang. Während des Formvorgangs kann Druck durch eine fixe Einrichtung wie z.B. ein zu knapp bemessener Spielraum zwischen der Schwenkwange und dem Werkzeug oder durch variable Hilfen wie pneumatische, hydraulische oder elastomere Komponenten aufgebaut werden.

5. Abkühlen

Zum Abkühlen des Halbzeugs genügt die natürliche Konvektion durch die Umgebungsluft kaum. Sinnvolle Abkühlhilfen sind z.B. normale Druckluft oder speziell abgekühlte Druckluft oder die Verwendung von Wasser.

Die Rekonsolidierung braucht während des Verformungsprozesses nicht abgeschlossen zu sein. Sie kann vielmehr auch noch während des Abkühlens stattfinden und ist wesentlich von der Art des verwendeten Verbundwerkstoffes und der gewählten Art der Erwärmung abhängig. So wird die Rekonsolidierung im allgemeinen zeitlich irgendwann während der Verformung beginnen und im darauffolgenden Schritt des Abkühlens enden. Sie stellt einen wesentlichen Faktor des gesamten Verformungsprozesses dar, werden dadurch doch die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäss thermoverformten Halbzeuges weitgehend bestimmt.

Zur Erzielung einer besonders vorteilhaften Rekonsolidierung hat sich die Verwendung eines Vakuumsackes erwiesen, der das ganze Halbzeug umgibt und vor oder während des Verformungsvorganges evakuiert wird.

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6. Freigeben

Nachdem das Halbzeug hinreichend abgekühlt wurde, wird es über die Fixierhilfen freigegeben. Dies kann automatisch erfolgen, wenn beispielsweise die Fixierhilfen pneumatisch betätigt werden und das Halbzeug danach ausgeworfen wird. Bei grösseren Halbzeugen kann dieses beispielsweise auch manuell nach der Freigabe durch den Freigabemechanismus von der Arbeitsplatte wieder entfernt werden.

Nach dieser Freigabe steht dann ein thermoverformtes Halbzeug zur weiteren Verwendung zur Verfügung, womit das Verfahren abgeschlossen ist.

Einzelne Verfahrensschritte können sich zeitlich überlappen, d.h. die Abgrenzung ist nicht ganz scharf zu definieren. So kann z.B. die Erwärmung auch noch während des Verformungsvorganges andauern, und zwar aktiv, falls irgendwelche Wärmequellen noch eingeschaltet bleiben, oder aber passiv, wenn die in die Vorrichtung eingebrachte Wärme nach dem Abschalten der Wärmequellen in die verschiedenen Bauteile der Vorrichtung dissipiert. Ebenfalls können die Verfahrensschritte «Abkühlen» und «Freigeben» überlappen, nämlich wenn bereits freigegeben wird, nachdem die Formstabilität erreicht wurde, und das verformte Halbzeug noch beträchtliche Wärmeinhalte aufweisen kann, die einer weiteren Abkühlung bedürfen.

Das beschriebene Verfahren weist die folgenden wichtigen Vorteile auf:

- Kurze Fertigungszeiten durch lokal begrenzte Erwärmung,

- Niedrige Werkzeugkosten durch Variation nur eines Werkzeuges,

- Hohe Verformungsqualität durch Abgleiten der Schichten des Halbzeugs untereinander, sodass kein Ausbeulen der innen im Krümmungsbereich liegenden Schichten auftritt,

- Hohe Reproduzierbarkeit durch automatisierte Steuerung des Prozesses,

- Formen von Hinterschneidungen möglich,

- Bau einer Vorrichtung, die wenig Energie verbraucht, und ein

- Breites Anwendungsspektrum.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur thermischen Verformung in schematischer Darstellung im Schnitt. Auf einer Arbeitsplatte 31, welche eine ebene Auflagefläche 31' aufweist, wird ein thermoformbares Halbzeug 30 so eingelegt und positioniert, dass ein nicht zu verformender Bereich 30" auf die Arbeitsplatte zu liegen kommt und ein zu verformender Bereich 30' die Arbeitsplatte überragt. Das Halbzeug 30 besteht hier aus 4 Schichten 21-24. Mittel zum Einlegen und Positionieren des Halbzeugs sowie zur Verringerung der Adhäsionskräfte sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Über der Arbeitsplatte befindet sich ein Werkzeug 32, mit welchem das Halbzeug 30 auf der Arbeitsplatte 31 über die Mittel zur Fixierung 33 fixiert wird. Mit den Mitteln zur Fixierung 33, die hier nicht näher beschrieben werden, kann senkrecht auf das Halbzeug ein Druck aufgebaut werden, dass während des Verformungsvorganges das Halbzeug vorzugsweise verschiebungsfrei fixiert bleibt. Das Werkzeug

32 weist auf der einen Seite ein Verformungsprofil 32' auf, welches hier als konstanter Krümmungsradius mit Zentrum 32" ausgebildet ist. Das Zentrum 32" und das Ende 31" der Arbeitsplatte liegen in einer Ebene. Unterhalb des zu verformenden Bereiches 30' des Halbzeugs befindet sich eine Schwenkwange 34, die auf der dem Halbzeug zugewandten Seite eine ebene Fläche aufweist, wodurch ein planes Aufliegen des zu verformenden Bereiches 30' auf der Schwenkwange gewährleistet wird. Die Schwenkwange 34 ist so angeordnet, dass sie auf der einen Seite an die Arbeitsplatte anstösst, während sie auf der anderen Seite den zu verformenden Bereich 30' des Halbzeugs vollständig bedeckt oder sogar überragt, wobei die Auflagefläche 31' und die ebene Oberfläche 34' der Schwenkwange in einer Ebene liegen. Die Schwenkwange 34 ist über eine Halterung 35 mit einem Schwenkmechanismus 40 so verbunden, dass die Schwenkwange während des Verformungsvorganges die dafür erforderliche Bewegung durchführen kann. Oberhalb und unterhalb des zu verformenden Halbzeugs befinden sich als Mittel zur Erwärmung die IR-Strahler 50 und 50', über welche der zu verformende Bereich 30' des Halbzeugs bis in den thermoformbaren Zustand erwärmt wird. Die Leistung der IR-Strahler kann beispielsweise durch die Verwendung von geeigneten Reflektoren unterstützt werden. Die hier dargestellte Lage der Schwenkwange entspricht dem Anfangzustand des Verformungsvorganges, d.h. dem Ende des Verfahrensschrittes 3. Da es auf Grund des begrenzten Konstruktionsraumes bei bestimmten Verformungsgeometrien zu Kollisionen zwischen den einzelnen Vorrichtungskomponenten kommen kann, kann es notwendig sein, diese durch Aktoren aus dem Kollisionsbereich herauszubewegen.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur thermischen Verformung nach erfolgter 180°-Verformung in schematischer Darstellung im Schnitt. Arbeitsplatte 31, Werkzeug 32, Schwenkwange 34 und Halbzeug 30 entsprechen der Fig. 4. Die Schwenkwange befindet sich hier im Endzustand, welche sie nach dem Verformungsvorgang einnimmt, d.h. dem Ende des Verfahrensschrittes 4. Erkennbar sind die Schichten 21-24, welche nach der Verformung ein nach Stufen gegliedertes Halbzeugende mit den Schichtenden 21', 22', 23' und 24' aufweisen. Falls die Schichten 21-24 druckbeständig sind, was beispielsweise bei der Venwendung eines glasfaserverstärkten Polyetherimid der Fall ist, lassen sich Verformungen mit weitgehend gleichen Dicken im Krümmungsbereich erzielen. Zur Unterstützung der Rekonsolidierung kann zusätzlich zur Schwenkwange ein Druckbalken 60 verwendet werden. Dieser ist ein senkrecht auf die Schwenkwange in ihrer Endposition zu bewegender Balken, an dessen beiden Enden Aktoren angeordnet sind (nicht dargestellt), die zur Steuerung des Druckbalkens vorgesehen sind.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur thermischen Verformung mit versetztem Werkzeug in schematischer Darstellung im Schnitt. Arbeitsplatte 31 mit dem Ende 31", Schwenkwange 34 und Halbzeug 30 entsprechen der Fig. 4. Das Zentrum 32" des

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Werkzeugs 32 und das Ende 31" der Arbeitsplatte liegen hier nicht mehr in einer Ebene. Sie weisen einen Versatz a von 5 mm auf, d.h. das Zentrum 32" des Werkzeuges 32 ist bezüglich Ende 31" der Arbeitsplatte in Richtung der Schwenkwange verschoben. Durch diese Anordnung wird ein Teil der Flachkörpersektion des Halbzeugs 30 ebenfalls aufgeheizt. Überraschenderweise ergibt sich dadurch ein steter Übergang von der Flachkörpersektion in den verformten Bereich des Halbzeugs. Dies wirkt sich insbesondere auf die optischen Eigenschaften, bzw. die optische Erscheinung des thermoverformten Halbzeugs positiv aus.

Die Fig. 7A und 7B zeigen zwei thermoverformte Halbzeuge mit verschiedenen Profilformgeometrien. In Fig. 7A wurde die Verformung mit einem Werkzeug hergestellt, welches eine Profilformgeometrie mit konstantem Radius aufwies, während in Fig. 7B zur Verformung ein Werkzeug mit nichtkonstantem Radius als Profilformgeometrie verwendet wurde.

Beispiel 1 beschreibt ein erstes Ausführungsbeispiel:

In der Vorrichtung wurde mit dem Werkzeug das Halbzeug auf der Arbeitsplatte fixiert. Als Halbzeug wurde ein thermoformbarer Verbundwerkstoff gewählt, der aus einer Polyamid-Kunststoffmatrix mit zwei darin eingelagerten Glasfasergewebematten bestand. Der Verformungsvorgang gestaltete sich im zeitlichen Phasenablauf wie folgt:

Phase 1 /Zeit 0-5 s:

Das pneumatisch bewegte Werkzeug fixierte das bezüglich der Verformungskante ausgerichtete Halbzeug auf der Arbeitsplatte. Zur Vermeidung der Adhäsionsneigung des thermozuformenden Halbzeugs an Werkzeug und Schwenkwange wurde das Halbzeug, - vor allen Dingen der umzuformende Bereich -, beidseitig mit einer Teflonfolie abgedeckt, sodass er keinen direkten Kontakt mit Werkzeug und Schwenkwange hatte.

Phase 2/Zeit 5-120 s:

Erwärmen der Schwenkwange von Raumtemperatur auf 220°C durch einen Infrarotstrahler.

Phase 3/Zeit 120-140 s:

Halten der eingestellten Temperatur zur gleich-mässigeren Wärmeverteilung im Halbzeug.

Phase 4/Zeit 140-150 s:

Verformen des Halbzeugs um 180°.

Phase 5/Zeit 150-200 s:

Abkühlen der über das Halbzeug an das Werkzeug drückenden Schwenkwange bis auf die voreingestellte Entformtemperatur von 130°C, bei der das thermoverformte Halbzeug freigegeben wurde.

Beispiel 2 beschreibt ein zweites Ausführungsbeispiel:

Das Halbzeug, das aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff (Polyetherimid-Kunststoffmatrix mit acht darin eingelagerten Kohlenstofffasergewebematten) bestand, wurde zuerst in einen Vakuumsack - Upilex™-Folie mit Dichtgummi - die Folie ist auf der Innenseite zur weiteren Verringerung der Adhäsion des Kunststoffes mit einem Trennmittel vorher eingestrichen worden eingepackt, anschliessend unter Vakuum gesetzt und dann in der Vorrichtung mit dem pneumatisch zu bewegenden Werkzeug auf der Arbeitsplatte fixiert. Der Verformungsvorgang gestaltete sich im zeitlichen Phasenablauf wie folgt:

Phase 1/Zeit 0-5 s:

Das pneumatisch bewegte Werkzeug fixierte das bezüglich der Verformungskante ausgerichtete Halbzeug im Vakuumsack auf der Arbeitsplatte.

Phase 2/Zeit 5-250 s:

Aufheizen der Schwenkwange von Raumtemperatur auf 330°C durch einen ersten Infrarotstrahler. Ein zweiter Infrarotstrahler heizte das Halbzeug im Vakuumsack von oben auf.

Phase 3/Zeit 250-300 s:

Halten der eingestellten Temperatur zur gleich-mässigeren Wärmeverteilung im Halbzeug.

Phase 4/Zeit 300-310 s:

Verformen des Halbzeugs um 180°.

Phase 5/Zeit 310-350 s:

Abkühlen der über das Halbzeug an das Werkzeug drückenden Schwenkwange bis auf die voreingestellte Entformtemperatur von 250°C. Anschliessend wurde das thermoverformte Halbzeug freigegeben und aus dem Vakuumsack ausgepackt.

Beispiel 3 beschreibt ein drittes Ausführungsbeispiel:

In der Vorrichtung wurde mit dem Werkzeug das Halbzeug, das ein Sandwich (Deckschicht aus Polyamid-Kunststoffmatrix mit zwei darin eingelagerten Glasfasergewebematten, Kernmaterial aus Hartschaum) war, auf der Arbeitsplatte fixiert. Der Verformungsvorgang gestaltete sich im zeitlichen Phasenablauf wie folgt:

Phase 1 /Zeit 0-5 s:

Das pneumatisch bewegte Werkzeug fixierte das bezüglich der Verformungskante ausgerichtete Halbzeug auf der Arbeitsplatte.

Phase 2/Zeit 5-250 s:

Aufheizen der Schwenkwange von Raumtemperatur auf 220°C durch einen ersten Infrarotstrahler. Ein zweiter Infrarotstrahler heizt das Halbzeug von oben auf.

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Phase 3/Zeit 250-300 s:

Halten der eingestellten Temperatur zur gleich-massigeren Wärmeverteilung im Halbzeug.

Phase 4/Zeit 300-310 s:

Verformen des Halbzeugs um 90°.

Phase 5/Zeit 310-400 s:

Abkühlen der über das Halbzeug an das Werkzeug drückenden Schwenkwange bis auf eine voreingestellte Entformtemperatur von 130°C, bei der das thermoverformte Halbzeug freigegeben wurde.

Anwendungsgebiete für das beschriebene Verfahren finden sich:

- in der Fahrzeugindustrie (Strasse, Eisenbahn, Sport) zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu Teilen für die Rahmenkonstruktionen, Crash-Strukturen, als Montagehilfen für andere Teile sowie bewegte Teile;

- in der Möbelindustrie zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu Hilfskonstruktionen oder Montagehilfen, zu hochwertigen Möbelstücken, sowie zu stark beanspruchten Bauteilen;

- in der Luft- und Raumfahrt zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu Teilen für die Verkleidung von Fahrzeugen, sowie zu stark beanspruchten Bauteilen;

- in der Bauindustrie und im Maschinenbau zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu stark beanspruchten Teilen für Bauwerke, Teile mit speziellen Eigenschaften, wie Isolierung, Dämpfung u.a.;

- in der Chemieindustrie zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu Teilen für chemisch oder mechanisch stark belastete Strukturen; und

- in der Freizeitindustrie zum Formen von thermoformbaren Verbundwerkstoffen, wie z.B. zu Teilen für stark beanspruchte Sportartikel und hochwertige Freizeitartikel.

Erfindungswesentlich ist, dass das beschriebene Verfahren im Verformungsbereich ein Abgleiten der Schichten von Halbzeugen aus thermoformbaren Verbundwerkstoffen untereinander erlaubt, wobei diese nach einer Rekonsolidierung ein thermoverformtes Halbzeug ergeben. Die dazugehörigen Vorrichtungen sind einfach und zeichnen sich durch kurze Fertigungszeiten aus. Mit diesem Verfahren kann eine Vielzahl thermoformbarer Verbundwerkstoffe verarbeitet werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur thermischen Verformung von Halbzeugen aus thermoformbaren Verbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Halbzeug in seinem nicht zu verformenden Bereich über Mittel zur Positionierung und Fixierung auf einer Arbeitsplatte positioniert und fixiert wird,

   b) dass das Halbzeug in seinem zu verformenden Bereich, der ein Ende des Halbzeugs ein-schliesst, über Mittel zur Erwärmung lokal erwärmt wird,

   c) dass der erwärmte Bereich des Halbzeugs über Mittel zur Verformung um ein Werkzeug verformt und über Mittel der Rekonsolidierung rekonsolidiert wird,

   d) dass der verformte Bereich des Halbzeugs über Mittel zur Abkühlung abgekühlt wird, und e) dass danach das thermoverformte Halbzeug über die Mittel zur Fixierung freigegeben wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des erwärmten Bereichs des Halbzeuges zufolge der Verformung untereinander abgleiten und dass dadurch am einen Ende des Halbzeuges nach Stufen gegliederte Schichtenden erzeugt werden.

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erwärmung aus mindestens einer Wärmequelle gebildet werden, welche auf mindestens ein Wirkungsfeld gerichtet ist.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erwärmung direkt auf die Mittel zur Verformung und/oder direkt auf den zu verformenden Bereich des Halbzeugs gerichtet werden.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verformung aus mindestens einer Schwenkwange, die über den gesamten Temperaturbereich der Verarbeitung formstabil und wärmeleitfähig ist, und aus einem Schwenkmechanismus bestehen, der die Schwenkwange um eine Achse schwenkt.

   6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel der Verformung ein Druck auf den zu verformenden Bereich des Halbzeuges während und nach dem Verformungsvorgang ausgeübt wird, aufgrund der relativen Position der Schwenkwange zu Werkzeug und Schwenkachse.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck eine Rekonsolidierung des verformten Bereiches des Halbzeuges bewirkt.

   8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Rekonsolidierung erforderliche Druck mittels eines Druckbalkens erzeugt wird.

   9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonsolidierung mittels eines Vakuumsackes erfolgt, der das Halbzeug umgibt und der vor oder während des Verformungsvorganges evakuiert wird.

   10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minderung der Adhäsionskräfte beim Verformungsvorgang das Halbzeug ein- oder beidseitig mit einer Trennfolie belegt wird, und/oder die Schwenkwange, das Werkzeug und die Arbeitsplatte mit einem Trennmittel beschichtet werden.

   11. Verfahren nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verformung des Halbzeugs aus thermoverformbaren Verbundwerkstoffen mit druckbeständigen Schichten eine im wesentlichen konstante Dicke im verformten Bereich des Halbzeuges erhalten bleibt.

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   CH 686 820 A5

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   12. Verfahren nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Positionierung und Fixierung, die Mittel zur Erwärmung und zur Verformung sowie jene zur Rekonsolidierung und Abkühlung automatisch gesteuert werden, wodurch die Verformungsgeschwindigkeit, die Biege- und Entformtemperatur, die Haltezeit und Drük-ke mittels dieser Steuerung kontrolliert werden und stufenlos einstellbar sind, und dadurch ein automatisierter Verformungsprozess gebildet wird.

   13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 in der Fahrzeugindustrie zur Herstellung von Teilen für Rahmenkonstruktionen und Crash-Strukturen.

   14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Herstellung von Teilen für Verkleidungen sowie von stark beanspruchten Bauteilen.

   15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 in der Möbelindustrie zur Herstellung von Hilfskonstruktionen oder Montagehilfen sowie von stark beanspruchten Bauteilen.

   16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 in der Bauindustrie und im Maschinenbau zur Herstellung von stark beanspruchten Bauteilen.

   17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass a) Mittel zur Positionierung und Fixierung eines

   Halbzeuges auf einer Arbeitsplatte vorgesehen sind, und dass b) Mittel zur Erwärmung, zur Verformung, zur

   Rekonsolidierung und zur Abkühlung des Halbzeuges vorgesehen sind.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erwärmung mindestens ein Infrarotstrahler vorgesehen ist.

   19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17-18, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Werkzeuges bezüglich dem Ende der Arbeitsplatte in Richtung der Schwenkwange versetzt angeordnet ist.

   20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fixierung des Halbzeuges ein Werkzeug mit einer Profilformgeometrie aufweist, deren Radius konstant oder nicht-konstant ist, wobei diese Radien über die Länge des Werkzeuges konstant oder variabel sind.

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