DE10106183A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen durch lokale Aufheizung und Umformung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen. Bisher wird zur Umformung von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen die gesamte Platine aufgeschmolzen. Dies führt zu Faserumorientierungen in der gesamten Platine, auch wenn die eigentliche Umformung nur an lokalen Stellen erfolgt und es sich ansonsten im wesentlichen um eine Rekonsolidierung der Platine handelt. Die Lösung des Problems besteht darin, die Kunststoffplatine nur lokal aufzuschmelzen und somit auch nur lokal umzuformen. Dies ist in Figur 1 dargestellt. Nur ein kleiner lokaler Bereich (1) der kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatine wird aufgeschmolzen. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird der erwärmte Bereich umgeformt. In dem umgeformten Bereich (2) haben sich die Fasern umorientiert. Im restlichen Bereich der Kunststoffplatine (3), der nicht erwärmt wurde, bleibt die ursprüngliche Faserorientierung erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Umformung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffhalbzeuge, sogenannte Organobleche, können heute wirtschaftlich mittels Doppelbandpresstechnik oder Prepregtechnologie (DE 197 34 417 C1) hergestellt werden. Diese dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung dünnwandiger, hochbelastbarer Strukturbauteile. Zur Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Formteilen müssen die Halbzeuge zunächst mittels einer Aufheizstation über Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt werden. Die Umformung erfolgt durch Positionierung erwärmter Tafeln zwischen Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse und sofortigem Schließen der bei Bedarf temperierten Formwerkzeughälften. Während der Abkühlung des Formteils auf die Werkzeugtemperatur kommt es zur Verfestigung des Kunststoffs, so dass nach dem Öffnen der Presse das fertig konsolidierte Formteil entnommen werden kann [Ziegmann, G.: Umformen im Diaphragma-Verfahren. In "Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix". Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (1997), S. 143-160], [O'Bradaigh, C. M., Pipes, R. B., Mallon, P. J.: Issues in Diaphram Forming of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites. Polymer Composites. 12 (1991) 4, S. 246-256], [Breuer, U. P.: Beitrag zur Umformtechnik gewebeverstärkter Thermoplaste. Fortschrittsberichte VDI-2/433, Düsseldorf: VDI-Verlag 1997], [Börger, H.: Umformung mit Positiv-/Negativ-Presswerkzeugen (Match Mold Verfahren). In "Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix". Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (1997), S. 132-142].

Aus dem Stand der Technik ist bekannt die komplette Kunststoffplatine in einem separaten Strahlerfeld außerhalb der Presse, meist mit Infrarotstrahlern, zu erwärmen und anschließend in einem Einkavitätenwerkzeug umzuformen.

Dies führt zu folgenden Problemen: Durch die nachfolgende Umformung verzieht sich die Verstärkungsstruktur und es erfolgt neben der Umorientierung der Fasern in der Umformzone (6) auch eine Umorientierung der Fasern in der restlichen Platine (7), siehe Fig. 2. Die Eigenschaften des Faserverbundes, welche durch die vorgegebenen Faserorientierungen der Platine (4, 5) definiert sind, werden durch die Umorientierung der Fasern wesentlich beeinflusst. Schon Abweichungen von wenigen Winkelgraden führen zu deutlichen mechanischen Eigenschaftsveränderungen des Verbundes [Ehrenstein, G. W.: Faserverbund- Kunststoffe. München. Carl Hanser Verlag 1992], [Erhard, G.. Konstruieren mit Kunststoffen. München. Carl Hanser Verlag 1998]. Das Aufheizen der gesamten Platine führt zudem zu einem unnötig hohen Energieaufwand und verlängerten Prozesszeiten, da bei konvektiver Aufheizung und bei Strahlungsquellen die Heizleistung nur ungenügend fokussiert werden kann. Der Einsatz einer Kontaktheizung bringt Probleme durch das Anhaften des aufgeschmolzenen Polymers an den Heizplatten mit sich. Weitere Aufheizungsmöglichkeiten, die man aus dem Bereich des Schweißens von faserverstärkten Kunststoffen kennt, wie Vibrationserwärmung oder induktive Erwärmung sind bisher noch nicht im Einsatz [Rudolf R.; Mitschang P.; Neitzel M.: Welding of high-performance thermoplastic composites Polymers & Polymer Composites Vol. 7 (1999), No. 5, pp. 309-315]. Durch die großflächige Beeinflussung der Faserorientierung kann ohne weitere Maßnahmen (DE 199 44 164) immer nur ein Bauteil aus einer Platine umgeformt werden. Weitere wesentliche Nachteile der heutigen Verfahrensweise sind das schwierige Handling der aufgeschmolzenen und somit biegeschlaffen Platinen und die Notwendigkeit von Niederhalte- beziehungsweise Nachführsystemen zur faltenfreien Umformung.

Aufgabe der Erfindung ist es durch eine veränderte Aufheizung eine lokal begrenzte Umformung der Platine und somit eine lokale Neuorientierung der Verstärkungsfasern zu ermöglichen, ohne die Grundeigenschaften der restlichen Platine zu beeinflussen. Diese Vorgehensweise soll zu Energieeinsparungen und einer vereinfachten Prozessführung beitragen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das lokal begrenzte Aufheizen der umzuformenden Platine wird nur den Faserbereichen eine Neuorientierung erlaubt, die sich innerhalb des aufgeschmolzenen Gebietes befinden. Fig. 3 zeigt die Neuorientierung von Fasern in der aufgeschmolzenen Zone (8) und die unbeeinflussten Faserorientierungen (4) und (5). Es wird nur so viel Energie in die Platine eingetragen, wie für die örtliche Aufheizung benötigt wird. Durch die Tatsache, dass die nicht erwärmten Platinenbereiche nach wie vor fest sind, erlaubt diese Vorgehensweise ein einfaches Handling der Platine mit Standard-Handhabungssystemen. Die Umformung selbst ist auf den notwendigen Bereich beschränkt und stellt somit für die Faserorientierung der Umgebung keine Problemzone dar. Auf Rückhalte- und Nachführsysteme kann demzufolge verzichtet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 lokal umgeformte Platine (3) mit der Aufwärmzone (1) und dem Umformbereich (2)

Fig. 2 umgeformte Platine mit Grundfaserorientierung (4) und (5), Neuorientierungen im Umformbereich (6) und Desorientierungen in der Platine (7)

Fig. 3 lokal umgeformte Platine mit Grundfaserorientierung (4) und (5), Neuorientierungen im Umformbereich (8)

Fig. 4 Koppelelement aus Platine (10) mit Lager (9)

Fig. 5 Platine (11) zur Mehrfachumformung in einem Pressenhub mit 8 lokalen Aufheizstellen (12)

Als Ausführungsbeispiele seien hier Varianten zur Herstellung von Elementen eines Koppelgetriebes aus faserverstärkten Kunststoffplatinen (Platinen) im Umformverfahren beschrieben. Bei der Herstellung solcher Koppelelemente (Fig. 4) aus ebenen Platinen (10) müssen nur die Bereiche für den Einbau der Lager (9) umgeformt werden. Der restliche Bereich der Platine ist eben. Für das längliche Bauteil ist die Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung für die Biegeeigenschaften extrem wichtig. Die lokale Erwärmung der Platine außerhalb des Umformwerkzeugs kann mit Hilfe von Blenden für konventionelle Erwärmungsquellen, wie z. B. Infrarotstrahler oder angepassten Erwärmungsquellen (Spiralglühwendel), durchgeführt werden. Andere Erwärmungsmethoden, wie z. B. Kontakterwärmung sind ebenfalls denkbar. Beim Einsatz von Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern ist die induktive Erwärmung vorteilhaft, da diese sehr schnell, berührungslos und zielgerichtet eingesetzt werden kann. Wegen der lokalen Erwärmung und der dafür benötigten geringeren Wärmemenge, sind die verringerten Energiekosten ein weiterer Vorteil. Auch die zu konsolidierende Fläche (entspricht der aufgeschmolzenen Fläche) ist kleiner, was geringere Presskräfte und somit die Verwendung von kleineren Pressen erlaubt.

Bei Verwendung eines Induktors zum Energieeintrag können weitere prozesstechnische Vorteile erreicht werden. Der Induktor kann in das Umformwerkzeug integriert werden, wodurch auf eine separate Erwärmungsvorrichtung und komplexere Transporteinheit verzichtet werden kann. Neben der finanziellen Einsparung, wird die Taktzeit durch die schnelle induktive Erwärmung und den Wegfall des Temperaturverlustes durch Transport deutlich gesenkt werden. Die Handhabung einer steifen, kalten Kunststoffplatine ist wesentlich einfacher als die einer aufgeschmolzenen Platine. Durch die lokale Erwärmung und Umformung wird eine Faserumorientierung in den nicht erwärmten Bereichen verhindert.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil kann durch den Einsatz von Mehrkavitätenwerkzeugen erreicht werden. Wie beschrieben bleibt bei lokaler Aufheizung der nicht umzuformende Bereich einer Platine von der Umformung unbeeinflusst. Dies bedeutet, dass das Umformen mehrerer baugleicher oder auch unterschiedlicher Geometrien in einem Werkzeug während eines Pressenhubs möglich wird. Fig. 5 zeigt so eine Platine (11) die hier exemplarisch an 8 lokalen Stellen aufgeheizt wird, um in einem entsprechenden Werkzeug in einem Pressenhub den Einbauraum für 8 Lager zu schaffen. Aus der umgeformten Platine können durch späteres Besäumen oder Ausstanzen direkt 4 Koppelelemente gewonnen werden.

Die Art der Verstärkungsfasern (Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Polymer-, Naturfaser, usw.), die Verstärkungsstruktur (Gewebe, Gelege, Gewirke, Geflechte, usw.) sowie die Matrix (Polyamid, Polypropylen, Polyetheretherketon, usw.) können bei den faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffplatinen variieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Umformen von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffplatine an einer oder mehreren Stellen lokal aufgeschmolzen und anschließend an diesen Stellen umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung außerhalb des Umformwerkzeugs mit Hilfe von Blenden für konventionelle Erwärmungsquellen, wie z. B. Infrarotstrahler oder angepassten Erwärmungsquellen (z. B. Spiralglühwendel) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffplatinen mittels induktiver Erwärmung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor in das Umformwerkzeug integriert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Umformwerkzeug mehrerer Kavitäten befinden, so dass eine an mehreren Stellen aufgeschmolzene Platine in einem Pressenhub mehrfach lokal umgeformt werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kavitäten um ein baugleiches oder auch geometrisch unterschiedliches Bauteil handeln kann.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbzeugen um Halbzeuge mit unterschiedlichen Verstärkungsstrukturen wie Fasergelege, Fasergewebe, Fasermatten, Fasergestricke, Fasergewirke oder unidirektionale Verstärkungen handelt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbzeugen um vollständig imprägnierte oder auch teilimprägnierte Laminate (sogenannte Prepregs) handelt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Kunststoffe thermoplastisch jeglicher Art sein können.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Verstärkungsfasern in den Halbzeugen jeglicher Art sein können, vornehmlich Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, Polymer- oder Naturfasern.