CN103358566B - 用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件（1）的方法，其中，将材料坯料（2）放入到特别是具有上模具（4）和下模具（5）的成形工具（3）中，并且所述成形工具（3）接着闭合以使得所述材料坯料（2）成形。本发明建议，所述材料坯料（2）由用基体材料浸渍的纤维材料——预浸材料——构成，所述材料坯料（2）在放入之前为了确保其可成形性至少部分地借助于加热装置（8）预热，所述成形工具（3）的至少一个造型面（4a，5a）在材料坯料（2）放入时至少部分地借助于冷却装置（9）冷却和/或已经被冷却。

Description

用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的方法和一种用于实施该方法的设备。
背景技术
上述类型的壳状的纤维增强塑料部件在大量技术领域中应用。例如在此提及机动车的结构部件领域。壳状的纤维增强塑料部件例如对于柱、承载件、碰撞元件、座椅等是必要的。考虑到高的件数，加工的自动化和高效性具有特别的意义。
本发明的出发点为公知的方法(DE 198 29 352 A1)，该方法涉及使由织物增强塑料构成的扁平材料坯料在成形工具中成形。为了实现所述材料坯料的对于成形所需的柔性，所述材料坯料在成形之前被预热。为此，在成形之前将相应的加热装置移到成形工具中。在预热之后，将加热装置从成形工具中移出并且使成形工具闭合以使材料坯料成形。实际的成形在第一步骤中通过模具进行并且在第二步骤中通过给材料坯料加载压力空气或诸如此类进行。已知方法的缺点是在给塑料部件造型时由于材料引起的限制。
在另一公知的方法中(EP 1 301 322 B1)，将纤维垫的材料坯料放入到成形工具中并且用反应性基体-材料(在此用反应性基体树脂)面在区域范围内喷射。接着，为了是材料坯料成形，成形工具闭合并且保持在闭合状态中，直到基体树脂硬化为止。为了如上所述用基体树脂喷射材料坯料，基体树脂可以在成形工具闭合的情况下被注射到上模具与下模具之间的模腔中。所谓的树脂注射方法(REM-“Resin Transfer Moulding”)允许全自动地制造具有极其良好的表面质量的塑料部件。
基体树脂到由高柔性纤维材料中的事后引入导致材料坯料在放入到成形工具前的简单操作并且导致在给待制造的塑料部件造型时的高灵活性。但是材料树脂到纤维材料中的最佳引入在设备技术方面和过程技术方面是一个挑战。
发明内容
本发明以所述问题为出发点，这样地设计并且改进公知的方法，使得可以在自动加工的情况下实现待制造的塑料部件的形状设计。
重要的是如下基本考虑，即，制造方法的出发点是由用基体材料浸渍的纤维材料的材料坯料。这种材料被称为“预浸-材料”。预浸材料在初始状态中已经用基体树脂浸渍，所述基体树脂在加热时液化。进一步超过其激活温度的加热最终导致基体树脂的硬化。替代或附加地可提出，纤维垫具有粘线，所述粘线相应地设有基体树脂。在这两种情况下，存在于纤维垫中的基体树脂在加热时液化，所述基体树脂接着如上所述地浸润所述纤维垫。
预浸-材料的一个有利的特性在于，相应的材料坯料在相应预热时能够以很大程度上任意的形状设计而成形，但是同时保留一定的形状稳定性，从而可实现材料坯料的自动输送。相应地建议，材料坯料在放入到成形工具之前相应地被预热。
现在感兴趣的是如下事实：所述成形工具的至少一个造型面在材料坯料放入时至少部分地借助于冷却装置冷却和/或已经被冷却。这个与材料坯料的预热相背地进行的冷却一方面具有如下效应，即，避免由于预热而通常具有粘性的材料坯料在成形工具的造型面上的附着。一个另外的、在此在前景中存在的效应在于，通过冷却可实现材料坯料的有针对性的变硬，例如以便在无“润滑效应”的情况下确保材料坯料的修边或开孔。
在本发明中，预热为一方并且冷却为另一方的恰当的控制具有特别的意义。在一个变型方案中建议，材料坯料的变硬至少基本上在成形之后进行。由此确保符合目的要求地采用通过预热引起的材料柔性和通过冷却引起的材料刚性。
在优选构型中，材料坯料的轮廓成型通过分开的加工进行，该加工将尺寸不足-轮廓引入到所述材料坯料中。进一步优选的构型在一变型方案中涉及在给出最终形状的情况下压缩并且同时硬化，这在相应设计的情况下通过材料坯料中的材料运动引起所述尺寸不足-轮廓转化为公称-轮廓。
在特别优选的构型中，在压缩材料坯料时将基体材料从材料坯料中排挤到压缩工具中的溢流腔中。在此在一个变型方案中提出，向溢流腔中的流出通过通道进行，在所述通道中在硬化之后形成额定断裂部位。由此可以的是，通过用一轮廓成型工具使额定断裂部位以确定的方式折断实现了将材料坯料清洁掉排出的基体材料。
按照具有独立意义的另一教导，要求保护一种用于实施所建议的方法的设备。
所建议的设备配备有特别是具有上模具和下模具的成形工具，其中，该成形工具在材料坯料放入后闭合以使得材料坯料成形。
重要的首先在于，可将由预浸-材料构成的材料坯料放入到成形工具中。为了在放入之前确保材料坯料的可成形性，设置加热装置，借助于该加热装置可以使材料坯料至少部分地预热。此外所建议的设备具有冷却装置，借助于该冷却装置可以在材料坯料放入时使成形工具的至少一个造型面至少部分地冷却和/或已经被冷却。
附图说明
下面借助于仅仅表示一个实施例的附图详细阐述本发明。附图中分别非常示意性地示出：
图1a)是材料坯料在加热装置中的符合建议的预热，和b)材料坯料在成形工具中的符合建议的成形，
图2是材料坯料借助于轮廓成型工具的符合建议的轮廓成型，
图3是材料坯料借助于硬化工具的符合建议的压缩和硬化，
图4是材料坯料借助于轮廓成型工具的符合建议的清洁。
具体实施方式
图1至4中示出的符合建议的设备用于实施符合建议的用于制造基本上壳形的纤维增强塑料部件1的方法。对于塑料部件1可考虑不受限制数量的构型。对此的实例在说明书引言部分中给出。
在一个方法步骤中将材料坯料2放入到成形工具3中，所述成形工具在此并且优选具有上模具(上阴模)4和下模具(下阴模)5(图1)。在另一方法步骤中，成形工具3沿着闭合方向6闭合以使得材料坯料2成形。上模具4和下模具5具有相互对应的形状，其中，在成形工具3闭合时保留一个穴腔7，该穴腔被材料坯料2填充。材料坯料2的成形以通常的方式通过上模具4和下模具5的形状确定。
材料坯料2基本上由用基体材料、在此用基体树脂浸渍的纤维材料构成。该材料涉及预浸-材料，如上阐述的那样。预浸-材料的设计可根据应用情况以不同的方式进行。优选所述预浸-材料涉及CFK-织物-预浸-材料。原则上所述预浸-材料根据应用情况涉及任意的热固性或热塑性预浸-材料。
根据建议，由预浸-材料构成的材料坯料2在放入到成形工具3之前为了确保其成形而至少部分地借助于加热装置3预热。图1a)示意性示出材料坯料2预热期间的加热装置8。图1a)示出，在此并且优选所述材料坯料2被整体预热。
对于所建议的解决方案特别有意义的是，成形工具3配备有冷却装置9，所述冷却装置在图1b)中通过冷却管10表示。在此，一个冷却可能性在于，用冷却液体穿流所述冷却管10。
成形工具3具有相反对置的造型面4a、5a，所述面在成形时包围所述材料坯料2。符合建议的是，在此并且优选所述成形工具3的这两个造型面4a、5a在材料坯料2放入时至少部分地借助于冷却装置9冷却和/或已经被冷却。这意味着：在一个变型方案中，在所述材料坯料2放入时所述冷却已经进行。在另一变型方案中，只有当材料坯料2已经放入时才进行冷却。
在图1b)所示的并且就此而言优选的实施例中，借助于冷却装置9的冷却全面地并且在材料坯料2的两侧进行。由此全面地防止材料坯料2附着在上模具4和下模具5上。这样做是恰当的，因为预浸-材料通常在室温时就具有粘性表面，这特别是对于其从成形工具3中的取出是有问题的。此外，材料坯料2的全面冷却导致相应全面的材料变硬，这对于随后的方法步骤简化了材料坯料2的可搬运性以及特别是在还将阐述的轮廓成型方面简化了材料坯料2的加工。
在优选的构型中，材料坯料2在上述的预热之前为了避免所述预浸-材料的化学反应而被冷却地储存。所述“反应”是指任何化学反应，特别是预浸-材料的不期望的交联。储存温度优选在-10℃以下。在这种低温的情况下，预浸-材料视设计而定难于或者不可成形，从而使得上述的预热在此具有特别的意义。在特别优选的构型中，储存温度与预热温度之间的温度差在约40℃与约90℃之间。
材料坯料2通过加热装置8的预热优选在预浸-材料的激活温度以下进行，从而避免预浸-材料提前硬化。然而在试验中发现，预热到这样一个温度是有利的，该温度明显高于室温，优选高于约40℃并且特别是高于约60℃。
在特别优选的构型中，材料坯料2的预热恰好这样进行，使得材料坯料2可成形，但是也可以被输送。由此确保了材料坯料2的简单的可搬运性。替代或附加地可能有利的是，预热过的、放入到成形工具3中的材料坯料2不附着在或者仅仅稍微附着在成形工具3的被冷却过的造型面4a、5a上。该效应决定性地归因于材料坯料2或造型面4a、5a的预热与冷却之间的温度降。
成形工具3的造型面4a、5a所建议的冷却进一步优选地这样进行，使得与所述面4a、5a对应的材料坯料2自身被冷却并且由此变硬。在设计时需注意的是，所述变硬不妨碍材料坯料2在成形工具3中的成形。这优选可通过以下方式实现，即，材料坯料2在放入到成形工具3紧之后就通过成形工具3的闭合而成形，从而使得材料坯料2的通过造型面4a、5a的冷却引起的变硬基本上在成形之后进行。在此，如果所述冷却在放入期间已经进行，则当然在材料坯料2放入时就已经进行了材料坯料2的一定程度上的冷却。
试验证明，将成形工具3的相关造型面4a、5a冷却到约10℃以下、特别是约8℃以下的温度会导致最佳的结果。
在此建议，将变热的材料坯料2与成形工具3的被冷却的面4a、5a之间的温度差设置在30℃与80℃之间。
成形工具3的所建议的冷却特别是在制造具有高斜率和大高度延伸尺寸的凸出或凹下造型的纤维增强塑料部件2时被证实是行之有效的。其原因在于，在这种形状的情况下，材料坯料2在成形工具3中的可运动性是有利的并且有时甚至是必要的。就此而言，材料坯料2在成形工具3的造型面4a、5a上的附着的降低是特别有利的。
图2示出跟随在图1中的成形后面的方法步骤。成形后并且至少部分地被冷却的材料坯料2在此通过一个分隔开的加工被轮廓成型。“轮廓成型”是指产生外部-和内部轮廓。在此并且优选所述轮廓成型包括修边(也就是去除掉材料坯料2的不期望的边缘区域)以及材料坯料2的开孔。相应地，轮廓成型工具11(其在此并且优选独立于成形工具3地构成)包括修边工具12和开孔工具13。视待制造的塑料部件1的构型而定，轮廓成型工具11配备有相应的修边工具、开孔工具或诸如此类。
在所示的并且就此而言优选的实施例中，轮廓成型工具11具有头部件14，不仅修边工具12而且开孔工具13都设置在所述头部件14上。所述修边工具12涉及切割刀，而所述开口工具13涉及模压冲头。应指出的是，修边和开孔可分别用于产生任意的轮廓。
轮廓成型工具11如图1b)中的成形工具那样配备有上模具15和下模具16，它们在此用于固定所述材料坯料2。头部件14被这样设计，使得其可沿着上模具15和下模具16的闭合方向6实施运动。在头部件14的这个运动期间，在唯一的工作过程中进行修边和开孔。
所建议的轮廓成型还显示出一个特别感兴趣的观点。也就是优选在轮廓成型时将尺寸不足-轮廓17a、18a引入到材料坯料2中。所述尺寸不足17a、18a可以视塑料部件1的绝对尺寸而定并且视预浸-材料而定最大为1mm。在特别的应用情况中，也可以出现大于1mm的尺寸不足17a、18a。
所述尺寸不足-轮廓17a、18a在一个以后的方法步骤中转化为公称尺寸-轮廓17b、18b。在下面对这一点进行阐述。
在所述成形并且必要时所述轮廓成型后面跟随着至少一个硬化步骤。优选预浸-材料的硬化首先在确定的区域中通过有针对性地输入热量局部地进行。这例如可通过未示出的预热冲头实现，将所述预热冲头进给到相关的区域上。在特别优选的构型中，这种局部硬化在开孔区域中进行。优选相关冲头(其优选具有环形表面)的进给引起材料坯料2被局部压缩，同时将那里的基体材料相应地朝外排挤。相应地，在开孔部的内面上形成由基体材料构成的薄层，其通过冲头的预热而硬化。在开孔部内部可设置模具冲头，其对于出现的基体材料提供反形状。所述模具冲头一定程度上用作出现的基体材料的铸造模具。通过有针对性的硬化也可以无纤维地制造复杂的边缘几何结构。
成形后并且必要时轮廓成型后的材料坯料2在特别的构型中接着被整体热硬化。这在图3中示出。在此并且优选的是附加地将成形后并且必要时轮廓成型后的材料坯料1在压缩工具19中以给出最终形状的方式压缩。在图3所示的并且就此而言优选的构型中示出一个结构特别紧凑的变型方案，所述热硬化和所述压缩基本上同时在一个唯一的硬化工具20中进行，其中，所述硬化工具20在此相应于上面的压缩工具19。
硬化工具20也配备有上模具21和下模具22。硬化工具20按照压力机的类型构成，从而上模具21可在闭合方向6上以高的力朝下模具22压紧。在此，首先进行材料坯料2的压缩。此外，给硬化工具20配置一个加热装置23，借助于该加热装置可以将材料坯料2加热到超过其激活温度。相应地，材料坯料2借助于该加热装置23优选加热到100℃高于的硬化温度。
硬化工具20的上模具21和下模具22的造型面优选被这样涂层，使得可实现材料坯料2的简单取出。可能的涂层在此例如是抗附着-涂层。
在图3所示的压缩-和硬化过程中感兴趣的是如下事实：在压缩时将基体材料从材料坯料2中挤出，其中，挤出的基体材料24流出到压缩工具19或硬化工具20的溢流腔25、26中。在图3的细节图A中可看出挤出的基体材料24的流出。图3的细节图A'示出材料坯料2的尚未压缩的状态。通过比较这两个细节图A、A'可看出，尺寸不足-轮廓17a通过压缩的、特别是通过材料坯料2中引起的材料运动转化为相应的公称轮廓17b。
根据图3，硬化工具20以特别有利的方式这样构成，使得挤出的并且硬化的基体材料24能够以特别简单的方式在清洁的框架内从材料坯料2上去掉。在此优选的是，挤出的基体材料24至少部分地通过通道27流出到溢流腔26中，其中，所述通道27这样构成，使得保留在该通道27中的基体材料24在硬化后用作额定断裂部位28。为了确保该额定断裂部位的预确定的断裂特性，通道27在横截面方面特别扁平地构成，从而使得保留在通道27中的硬化的基体材料24相应地薄并且易断。在理想状况下，基体材料24的该部分形成具有小于0.5mm的横截面积的高度的薄接片。术语“通道”在此应广义地理解并且包括每个用于挤出的基体材料24的穿导部。
为了也能够实现紧凑的几何结构、特别是侧凹，特别是可以使成形工具3和轮廓成型工具11配备有滑移件，其滑移方向不朝上工具4、21和下工具5、22的闭合方向6指向。
在根据图4的特别优选的构型中，为了清洁，设置一个轮廓成型工具29，其结构相应于在图2中示出的轮廓成型工具11的基本结构。相应地在此也设置头部件30、上模具31、下模具32以及修边工具33和开孔工具34。轮廓成型工具29在此负责使通过上述通道27产生的额定断裂部位28折断。材料坯料2的这种类型的清洁对于热固性预浸-材料特别有利，因为尤其硬化后的热固性材料的切割很难进行。
还需指出的是，在图3中示出的压缩和硬化可这样设计，即，在硬化后在边缘侧保留基体材料的薄层，所述薄层一定程度上构成相应边缘的终止部。在此可设置形状元件，特别是模具冲头，其一定程度上用作排出的基体材料的铸造模具。这一点已经结合局部硬化进行了说明。
根据一个另外的同样具有独立意义的教导，要求保护一种用于实施这种所建议的方法的设备。对此请参阅所有适合于描述所建议的设备的实施例。
所建议的设备原则上可具有单个的压力机，所述压力机具有一排级进工具。在此，图1b中示出的成形工具3、图2中示出的轮廓成型工具11、图3中示出的硬化工具20和图4中示出的清洁-或轮廓成型工具29可分别构造为级进工具。但是也可考虑的是，上述工具的每一个都结构上独立地构成。
该设备的互联原则上可自动进行，优选通过抓取器转移装置或机器人辅助搬运系统进行。这特别是通过以下方式容易地实现，即，如上所述在整个制造方法期间确保材料坯料2的一定的形状稳定性。

Claims (30)

1.一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件(1)的方法，其中，将材料坯料(2)放入到特别是具有上模具(4)和下模具(5)的成形工具(3)中，并且所述成形工具(3)接着闭合以使得所述材料坯料(2)成形，其特征在于，所述材料坯料(2)基本上由用基体材料浸渍的纤维材料——预浸材料——构成，所述材料坯料(2)在放入之前为了确保其可成形性至少部分地借助于加热装置(8)预热，所述成形工具(3)的至少一个造型面(4a，5a)在材料坯料(2)放入时至少部分地借助于冷却装置(9)冷却和/或已经被冷却，其中，将成形工具(3)的造型面至少部分地冷却到10℃以下，其中，所述材料坯料在由所述成形工具成形之后被从该成形工具取出并且放入到一硬化工具(20)中，所述材料坯料的热硬化和压缩在所述硬化工具(20)中进行。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述材料坯料(2)在预热之前为了避免预浸-材料发生化学反应而冷却地储存。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述材料坯料(2)的预热温度低于预浸-材料的激活温度。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，预热后的材料坯料(2)能够成形，但是也能够被输送，和/或，预热后的放入到成形工具(3)中的材料坯料(2)不附着在或者仅仅轻微地附着在成形工具(3)的被冷却的造型面(4a，5a)上。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述成形工具的造型面(4a，5a)至少部分地被这样冷却，使得与所述面(4a，5a)对应的材料坯料(2)被冷却并且由此变硬。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，将成形工具(3)的造型面至少部分地冷却到8℃以下。
7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，成形后的并且至少部分地被冷却的材料坯料(2)通过分隔开的加工被轮廓成型。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，在轮廓成型时将尺寸不足-轮廓(17a，17b)引入到所述材料坯料(2)中。
9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，成形后的材料坯料(2)在预确定的区域中通过有针对性的热量输入而局部硬化。
10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，成形后的材料坯料(2)被整体热硬化，和/或，成形后的材料坯料(2)在压缩工具(19)中以给出最终形状的方式被压缩。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于，在压缩时所述尺寸不足-轮廓(17a，17b)通过材料坯料中的材料运动转化为公称-轮廓(18a，18b)。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，在压缩时将基体材料从材料坯料(2)中挤出并且挤出的基体材料(24)流出到压缩工具(19)或硬化工具(20)中的溢流腔(25，26)中。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，将经压缩和硬化的材料坯料(2)由从材料坯料(2)排出的基体材料(24)上清洁掉。
14.根据权利要求2的方法，其特征在于，储存温度低于-10℃。
15.根据权利要求2的方法，其特征在于，储存温度与预热温度之间的温度差在40℃与90℃之间。
16.根据权利要求3的方法，其特征在于，将所述材料坯料(2)至少部分地预热到至少40℃。
17.根据权利要求3的方法，其特征在于，将所述材料坯料(2)至少部分地预热到至少60℃。
18.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述材料坯料(2)直接在放入到成形工具(3)中之后就通过成形工具(3)的闭合而成形，从而使得所述材料坯料(2)的通过所述造型面(4a，5a)的冷却引起的变硬基本上在成形之后进行。
19.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，变热后的材料坯料(2)与所述成形工具(3)的被冷却的造型面(4a，5a)的温度差在30℃与80℃之间。
20.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述轮廓成型包括材料坯料(2)的修边和/或开孔。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于，所述轮廓成型在与成形工具(3)分开的轮廓成型工具(11)中进行，所述轮廓成型工具包括修边工具(12)和/或开孔工具(13)。
22.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述局部硬化设置在开孔区域中。
23.根据权利要求7的方法，其特征在于，成形后并且轮廓成型后的材料坯料(2)在预确定的区域中通过有针对性的热量输入而局部硬化。
24.根据权利要求7的方法，其特征在于，成形后并且轮廓成型后的材料坯料(2)被整体热硬化，和/或，成形后并且轮廓成型后的材料坯料(2)在压缩工具(19)中以给出最终形状的方式被压缩。
25.根据权利要求10的方法，其特征在于，成形后的材料坯料(2)在设置的局部硬化之后被整体热硬化。
26.根据权利要求12的方法，其特征在于，挤出的基体材料(24)至少部分地通过通道(27)流出到溢流腔(25，26)中并且保留在所述通道(27)中的基体材料(24)在硬化之后用作额定断裂部位(28)。
27.根据权利要求13的方法，其特征在于，一轮廓成型工具(29)用于所述清洁。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于，所述轮廓成型工具(29)包括修边工具(33)和/或开孔工具(34)。
29.根据权利要求27的方法，其特征在于，挤出的基体材料(24)至少部分地通过通道(27)流出到溢流腔(25，26)中，所述轮廓成型工具(29)使保留在所述通道(27)中的基体材料(24)在硬化之后形成的额定断裂部位(28)折断。
30.一种用于实施根据以上权利要求中任一项的方法的设备。
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