DE10135847A1

DE10135847A1 - Verfahren zum Einbringen mindestens eines Inserts

Info

Publication number: DE10135847A1
Application number: DE2001135847
Authority: DE
Inventors: Michael Brauch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Plattenförmige Halbzeuge aus einem kontinuierlich gewebeverstärkten thermoplastichen Verbundwerkstoff (Organobleche) lassen sich gut zu Bauteilen umformen, wenn sie bis zu einer verformbaren Temperatur vorgewärmt sind. Zur Befestigung eines solchen Bauteils dienen meist Bohrungen durch das Bauteil. Dabei wird nachteiligerweise die Faserstruktur beim Bohren durchtrennt, sodass in diesem Bereich eine Schwachstelle in dem Bauteil entsteht. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Einbringen einer Befestigungsmöglichkeit in ein Bauteil aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff zu schaffen. DOLLAR A Kerngedanke der Erfindung ist es, dass beim Umformen eines vorgewärmten plattenförmigen Halbzeugs (1) aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff zumindest ein zuvor in das Umformwerkzeug (4) eingelegtes Insert (2) beim Umformen formschlüssig und mit einem Hinterschnitt in das Bauteil eingeformt wird. Das Polymer des Halbzeugs (1) kann beispielsweise in einem Infrarotheizfeld bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden, und danach sofort in das Umformwerkzeug (4) eingelegt und darin umgeformt werden. Die Faserstruktur bleibt dabei auch im Bereich des Inserts (2) unversehrt, die Faserstruktur legt sich vielmehr um das Insert (2) herum.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen mindestens eines Inserts in ein Bauteil aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Seit einigen Jahren gibt es kontinuierlich faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihrer guten Schlagzähigkeit und ihrer Recycle- und Schweißbarkeit sehr interessant sind. Im Gegensatz zu GMT (glass mat thermoplastics), bei dem kurze Glasfasern unstrukturiert und willkürlich zum Liegen kommen, weisen diese Verbundwerkstoffe eine gleichbleibend hohe Festigkeit aufgrund der definierten Langfaserverstärkung auf, die afs Gewebe oder als Gelege eingebracht ist. Plattenförmige Halbzeuge (Organobleche) aus einem solchen Verbundwerkstoff lassen sich gut zu Bauteilen umformen, wenn sie bis zu einer verformbaren Temperatur vorgewärmt sind. Diese Organobleche sind für ein breites Anwendungsfeld, insbesondere aber für KFZ- Außenhautteile, geeignet. Zur Befestigung eines solchen Bauteils dienen meist Bohrungen durch das Bauteil. Dabei wird nachteiligerweise die kontinuierliche Faserstruktur beim Bohren durchtrennt, sodass in diesem Bereich eine Schwachstelle in dem Bauteil entsteht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Einbringen einer Befestigungsmöglichkeit in ein Bauteil aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff zu schaffen.

Dieses Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Kerngedanke der Erfindung ist es, dass beim Umformen eines vorgewärmten plattenförmigen Halbzeugs aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff zumindest ein zuvor in das Umformwerkzeug eingelegtes Insert beim Umformen formschlüssig und mit einem Hinterschnitt in das Bauteil eingeformt wird. Das Polymer des Halbzeugs kann beispielsweise in einem Infrarotheizfeld bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden, und danach sofort in das Umformwerkzeug eingelegt und darin umgeformt werden. Durch die rasche Erstarrung des Polymers lassen sich kurze Gesamtzykluszeiten erreichen. Die kontinuierliche Faserstruktur bleibt dabei auch im Bereich des Inserts unversehrt, die Faserstruktur legt sich vielmehr um das Insert herum. Die Erhitzung des Polymers des Halbzeugs kann auch erst erfolgen, nachdem das Halbzeug in das Umformwerkzeug eingelegt wurde.

Der formschlüssige Hinterschnitt kann durch eine entsprechende Gestaltung des Inserts erfolgen. Eine besonders einfaches und wirkungsvolles Verfahren aber besteht darin, dass das Insert vom Halbzeug eingehalst wird. Auf diese Weise ist das Insert sehr sicher im Bauteil gehalten.

Der Verbundwerkstoff ist vorteilhafterweise ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder Aramid. Beide Werkstoffe bieten eine extrem hohe Festigkeit bezogen auf ihr spezifisches Gewicht und werden daher im Zuge der Leichtbauanforderungen im Fahrzeugbau zu Lande und in der Luft zusehends an Bedeutung gewinnen. Deswegen sind insbesondere für diese beiden Werkstoffe ausgereifte Lösungen zur sicheren Befestigung von großer Bedeutung. Dabei weisen Bauteile aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff oder aus Aramid häufig an den Krafteinleitungsstellen zusätzlich oder stattdessen eine Verstärkung aus einem Gewebe oder Gelege aus einer Langglasfaser auf.

Das Insert ist günstigerweise aus Metall und/oder Kunststoff. Bei einem Insert aus einem thermoplastischen Kunststoff kann vorteilhafterweise beim Umformvorgang das Insert teilweise mit dem Verbundwerkstoff verschmelzen. Dadurch wird die Verbindung zwischen den Insert und dem Verbundwerkstoff noch erheblich verbessert.

Für den Umformvorgang ist insbesondere ein Diaphragma- oder Membranumformen geeignet. Bei diesen beiden Umformverfahren sind die Werkzeugkosten im Vergleich zu anderen Umformverfahren außerordentlich gering.

Aber auch ein Tiefziehen des Halbzeugs weist wesentliche Vorteile auf. So lassen sich durch einen Tiefziehprozess auch komplizierte Hinterschneidungen und definierte Faltenbildungen erzeugen. Die Faltenbildung ist eine Nebenerscheinung des Drapierungsprozesses. Es entstehen meist vier deutliche Streben, die in etwa rechtwinklig zueinander versetzt liegen. Diese Falten können als zusätzliche Verstärkungsrippen dienen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher beschrieben wird. Es zeigen in schematischer Darstellungsweise:
Fig. 1 ein in ein Umformwerkzeug eingelegtes vorgewärmtes Halbzeug und Insert vor dem Umformvorgang und
Fig. 2 das fertige Bauteil mit dem Insert nach dem Umformvorgang.
Zur Herstellung eines Außenhautteils einer Kraftfahrzeugkarosserie aus einem kontinuierlich kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff wird ein plattenförmiges Halbzeug aus diesem Werkstoff in einem Infrarotheizfeld bis zum Schmelzpunkt erhitzt. In eine Presse zum Membran-Umformen wird auf eine untere Werkzeughälfte 4 mit einer Aufnahme 3 eine Gewindebuchse 2 aus Stahl eingelegt. Danach wird das vorgewärmte Halbzeug 1 unmittelbar nach dem Erwärmen im Infrarotheizfeld ebenfalls auf die untere Werkzeughälfte eingelegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Während des Umformvorgangs presst nun die hier nicht dargestellte obere Werkzeughälfte, die die Membran enthält, das Halbzeug 1 auf untere Werzeughälfte 4. Dabei wird die pilzförmig auf der Aufnahme 3 liegende Gewindebuchse 2 formschlüssig eingehalst, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gewindebuchse 2 weist eine verdrehsichere Form, wie beispielsweise eine sechseckige, ovale, o. ä. Querschnittsform, auf, sodass sie im erkalteten fertigen Bauteil auch verdrehsicher gehalten ist.
Bei diesem Umformprozess legt sich das Halbzeug 1 mit der Kohlefaserverstärkung um die Gewindebuchse 2 herum. Die Kohlefaserverstärkung wird in diesem Bereich nicht beschädigt oder verletzt.

Claims

1. Verfahren zum Einbringen mindestens eines Inserts (2) in ein Bauteil aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff, bestehend aus zumindest folgenden Verfahrensschritten:

a) Vorwärmen eines plattenförmigen Halbzeugs (1) aus dem thermoplastischen Verbundwerkstoff, bis dieses verformbar ist,

b) Einlegen des Inserts (2) und des vorgewärmten Halbzeugs (1) in ein Umformwerkzeug (4),

c) Schließen des Umformwerkzeugs (4), wobei das Halbzeug (1) so verformt wird, dass es das Insert (2) formschlüssig mit einem Hinterschnitt umgreift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert (2) vom Halbzeug (1) eingehalst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung in Form eines Gewebes oder eines Geleges in den Verbundwerkstoff eingebracht ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder Aramid ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert (2) eine Gewindebuchse ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert (2) aus Metall und/oder Kunststoff ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert aus einem thermoplastischen Kunststoff ist und beim Umformvorgang teilweise mit dem Verbundwerkstoff verschmilzt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformvorgang ein Diaphragma- oder Membranumformen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformvorgang ein Tiefziehen ist.