DE102004060009A1

DE102004060009A1 - Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers

Info

Publication number: DE102004060009A1
Application number: DE200410060009
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wolff; Jochen Holzleitner; Torben Effner; Stefan Bauer; Theodor Stömer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: DE102004060009B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers, insbesondere eines mehrschichtigen Strukturbauteils, umfassend Randbereiche erhöhter Festigkeit sowie Bereiche geringerer Festigkeit, in einem durch Werkzeugschalen gebildeten Formraum eines öffen- und schließbaren Formwerkzeugs, mit den Schritten Einlegen eines die Randbereiche des Schichtkörpers bildenden Halbzeugs in das geöffnete Formwerkzeug, Schließen des Formwerkzeugs, wobei das Halbzeug unter Bildung einer Kavität verformt wird und Einspritzen eines die Bereiche geringerer Festigkeit bildenden Kunststoffs in die durch das Halbzeug gebildete Kavität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers, insbesondere eines mehrschichtigen Strukturbauteils, umfassend Randbereiche erhöhter Festigkeit sowie Bereiche geringerer Festigkeit, in einem durch Werkzeugschalen gebildeten Formraum eines öffen- und schließbaren Formwerkzeugs.

Derartige Schichtkörper werden als Schalenelemente und Strukturbauteile aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht beispielsweise in der Automobilindustrie in Sitzstrukturen, Front-Ends und Stoßfängerträgern sowie zur Geräuschkapselung verwendet. Zur Realisierung der hohen Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht weisen die Randbereiche derartiger Schichtkörper eine besonders hohe Festigkeit insbesondere in Belastungsrichtung auf, wohingegen die Bereiche nahe der neutralen Faser eine untergeordnete Stellung einnehmen und aus einem leichten beispielsweise geschäumten Material bestehen.

Die Randbereiche erhöhter Festigkeit der Schichtkörper werden üblicherweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit in einer thermoplastischen Matrix eingebetteten Fasern gebildet. Bei besonders hohen Anforderungen an Steifigkeit und Festigkeit kommen Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz, deren Verstärkungsfasern in Belastungsrichtung ausgerichtet sind.

In den Herstellungsprozess des Schichtkörpers geht der Faserverbundwerkstoff als Halbzeug ein und wird dabei umgeformt. Bei der Umformung wird der Faserverbundwerkstoff bis zur Plastizität erwärmt, wobei die in der thermoplastischen Matrix eingebetteten Fasern eine neue Ausrichtung erfahren, welche beim anschließenden Abkühlen des Schichtkörpers konsolidiert wird. Entscheidend für die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften sind Lage und Ausrichtung der Verstärkungsfasern nach der Reorientierung.

In diesem Zusammenhang schlägt beispielsweise die DE 197 38 388 A1 vor, ein Halbzeug zu verwenden, welches Schichten aus einem Faserverbundwerkstoff und Zwischenschichten aus unverstärktem thermoplastischen Material umfasst, sodass bei der Umformung auftretende Dickenänderungen im Faserverbundwerkstoff durch das thermoplastische Material der Zwischenschicht ausgleichbar sind. Die Verwendung eines derartigen Halbzeugs bietet gewisse Vorteile, allerdings ist die Herstellung des Halbzeugs nicht nur aufwändig und kostenintensiv, sondern auch wenig flexibel, da abhängig vom herzustellenden Schichtkörper jeweils spezifisch angepasste Halbzeuge zu verwenden sind. Zudem besteht die Gefahr, dass insbesondere bei hohen Umformgraden die Zwischenschicht bereichsweise zu dünn wird und die geforderte Festigkeit des Schichtkörpers nicht mehr gewährleistet ist; die Möglichkeiten bei der Formgebung sind eingeschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers aufzuzeigen, welches sich durch eine besonders gute Wirtschaftlichkeit und hohe Flexibilität in bezug auf die Formgebung auszeichnet, gleichzeitig soll eine hohe Festigkeit gewährleistet sein.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrundeliegenden Idee das Verfahren die Schritte Einlegen eines die Randbereiche des Schichtkörpers bildenden Halbzeugs in das geöffnete Formwerkzeug, Schließen des Formwerkzeugs, wobei das Halbezeug unter Bildung einer Kavität verformt wird und Einspritzen eines die Bereiche geringerer Festigkeit bildenden Kunststoffs in die durch das Halbzeug gebildete Kavität umfasst. Auch komplex gestaltete dreidimensionale Formen können mit dem Verfahren besonders wirtschaftlich hergestellt werden, der Schichtkörper genügt sehr hohen Festigkeitsanforderungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Weiterbildung des Verfahrens wird das Halbzeug in geeignete Aufnahmen an den Werkzeugschalen eingelegt und die folgende Formgebung erfolgt durch die Ausgestaltung des Formraums unterstützt. Beim Schließen des Formwerkzeugs wird so das Halbzeug genau definiert und prozesssicher reproduzierbar verformt.

Zweckmäßigerweise wird das Halbzeug beim Einspritzen des die Bereiche geringerer Festigkeit bildenden Kunststoffs druckbedingt zumindest bereichsweise an den den Formraum bildenden Werkzeugschalen zur Anlage gebracht. Die die Randbereiche des Schichtkörpers bildende und durch das Schließen des Formwerkzeugs vorgeformte Schicht wird so durch den Druck des eingespritzten Kunststoffs – ähnlich einem Tiefziehvorgang – in ihre endgültige Form gebracht.

Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher beim Einspritzen das Halbzeug bereichsweise von Kunststoff durchdrungen wird. Beispielsweise bildet das beim Schließen des Formwerkzeugs vorgeformte Halbzeug im Formraum des Formwerkzeugs ein Kavität aus, welche den Formraum nicht vollständig ausfüllt. Beim Einspritzen des Kunststoffs ist das Halbzeug vom Kunststoff durchdringbar, etwa durch eine entsprechend durchlässige Ausgestaltung des Halbzeugs oder durch gesondert vorgesehene Öffnungen, wie Löcher oder eine Perforation.

Bevorzugt ist es, wenn Kunststoff, welcher Bereiche geringerer Festigkeit bildet, nicht nur innerhalb, sondern alternativ oder zusätzlich außerhalb der durch das Halbzeug gebildeten Kavität in den Formraum eingespritzt wird. Wenn das Halbzeug von Kunststoff durchdringbar ist, können sich die innerhalb und außerhalb der durch das Halbzeug gebildeten Kavität eingebrachten Schmelzen verbinden.

Als besonders sachdienlich wird es angesehen, wenn das Halbzeug plattenförmig ist und in einer thermoplastischen Matrix eingebettete Fasern umfasst. Beispielsweise enthält das Halbzeug sehr lange, auch als Endlosfasern bezeichnete Fasern. Derartige Materialien sind als Organoblech bekannt.

Zweckmäßigerweise wird das Halbzeug vor dem Umformen erwärmt, sodass der thermoplastische Matrixwerkstoff erweicht. Die Erwärmung kann zwischen den Formschalen eines gegebenenfalls beheizbaren Formwerkzeugs oder in einer gesonderten Aufheizstation erfolgen. Beim folgenden Umformvorgang können hohe Umformgrade erreicht werden und sich insbesondere auch die eingebetteten Fasern leicht reorganisieren.

Besondere Vorteile bietet eine Automatisierung des Einlegens des Halbzeugs in das Formwerkzeug. Beispielsweise wird beim Öffnendes Formwerkzeugs und mit Entnahme des fertigen Schichtkörpers bereits das erwärmte Halbzeug zur Herstellung des nächsten Schichtkörpers eingezogen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zum druckbedingten Anlegen des Halbzeugs an den den Formraum bildenden Werkzeugschalen der eingespritzte Kunststoff schäumbar, wobei beispielsweise ein physikalisches oder chemisches Treibmittel verwendet wird.

Nachfolgend ist eine besonders zu bevorzugende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1 ein Formwerkzeug zur Herstellung eines mehrschichtigen Strukturbauteils in geöffnetem Zustand und
2 ein Formwerkzeug zur Herstellung eines mehrschichtigen Strukturbauteils in geschlossenem Zustand.
1 zeigt ein geöffnetes Formwerkzeug 100 zur Herstellung eines mehrschichtigen Strukturbauteils. Das Formwerkzeug 100 umfasst zweit Formhälften 102, 104, wobei vorliegend die Formhälfte 104 eine Ausnehmung zur Bildung eines Formraums 106 aufweist. Die andere Formhälfte 102 weist einen Kanal 110 aus, durch welchen ein schmelzflüssiger Kunststoff einbringbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich die Formhälfte 102 eine Ausnehmung und/oder die Formhälfte 102 einen Kanal aufweist; gegebenenfalls sind auch mehrere Kanäle, wie 110, vorgesehen. Zwischen die Formhälften 102, 104 des geöffneten Formwerkzeugs 100 wird – bevorzugt automatisiert – ein Halbzeug 108 eingebracht, welches Randbereiche eines herzustellenden Schichtkörpers bildet. Zur Aufnahme des Halbzeugs 108 weisen die Formhälften 102, 104 des Formwerkzeugs 100 hier nicht näher dargestellte Aufnahmen auf.
Als Halbzeug 108 wird vorliegend ein Organoblech verwendet, welches sich durch in eine thermoplastische Matrix eingebettete Endlosfasern auszeichnet. Die mechanischen Eigenschaften des Schichtkörpers werden maßgeblich durch die Fasern bestimmt, also durch das Fasermaterial, die Faserqualität, die Faserlänge und/oder den Faservolumenanteil. Die Fasern sind organisch, anorganisch oder metallisch, beispielsweise bestehen sie aus Glas, Kohlenstoff oder aromatischen Polyamiden, und liegen als Geflecht, Gelege, Faser- oder Filamentgewebe oder Rovings (Faserbündel) vor. Als thermoplastische Matrix zur Stützung der Fasern werden bevorzugt reversibel thermoplastische Kunststoffe verwendet, welche oberhalb einer vorbestimmten Temperatur (Raumtemperatur, Einsatztemperatur) durch Erwärmung plastifizierbar sind, z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol enthaltende Mehrphasenkunststoffe wie ABS, Polyamide, thermoplastische Polyester, Polycarbonat enthaltende Polymermischungen wie PV/PBT, Polyphenylensulfid und Polyetherketone. Die Erwärmung des Halbzeugs 108 erfolgt in einer gesonderten Aufheizstation oder zwischen den gegebenenfalls beheizbaren Formhälften 102, 104 des Formwerkzeugs 100.
Beim Schließen der Formhälften 102, 104 wird das Halbzeug 108 im Formraum des Formwerkzeugs 100 gefaltet. Dabei wird die spätere Formgebung durch eine entsprechende Ausgestaltung der Formkontur unterstützt. 2 zeigt ein Formwerkzeug 200 zur Herstellung eines mehrschichtigen Strukturbauteils in geschlossenem Zustand. Das gefaltete Halbzeug 208 bildet innerhalb des durch die Formhälften 202, 204 gebildeten Formraums 206 eine Kavität 212, in welche entsprechend dem Pfeil a durch den Kanal 210 ein schmelzflüssiger Kunststoff einspritzbar ist, welcher Bereiche geringerer Festigkeit des Schichtkörpers bildet. Bevorzugt wird ein Kunststoff eingespritzt, welcher zum Matrixwerkstoff des Halbzeugs 208 gleich oder kompatibel ist. Beispielsweise wird Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol enthaltende Mehrphasenkunststoffe wie ABS, Polyamide, thermoplastische Polyester, Polycarbonat enthaltende Polymermischungen wie PV/PBT, Polyphenylensulfid und Polyetherketone verwendet. Allerdings ist es nicht erforderlich, dass der eingespritzte Kunststoff reversibel thermoplastisch ist, weshalb gegebenenfalls auch duroplastische Werkstoffe, wie Phenolharze, Melamin/Phenolharze oder Polyesterharze, welche z.B. unter Wärmeeinwirkung durch Vernetzung aushärten, verwendet werden.
Besonders leichte und dennoch hochfeste Schichtkörper lassen sich durch Aufschäumen des eingespritzten Kunststoffs erreichen. Zum Aufschäumen wird bevorzugt ein chemisches Treibmittel verwendet, gegebenenfalls kann es jedoch auch zweckmäßig sein, ein physikalisches Treibmittel zu verwenden.
Beim Einspritzen des Kunststoffs und/oder durch das Treibmittel wird druckbedingt das Halbzeug 208 zur Anlage an der Wand des Formraums 206 gebracht. Wesentlich ist, dass das Halbzeug 208 vor dem Erkalten bzw. Aushärten des eingespritzten Kunststoffs die geforderte Lage und Ausrichtung aufweist. Beim Herstellungsprozess werden die vorkonsolidierten Fasern des Halbzeugs 208 reorganisiert, wobei die Festigkeitseigenschaften des Schichtkörpers maßgeblich davon abhängen, dass die reorganisierten Fasern an den vorbestimmten Stellen entsprechend ausgerichtet sind. Idealerweise liegen die Fasern dort, wo am Schichtkörper die größten Zugbelastungen auftreten und sind in Richtung dieser Belastungen ausgerichtet.
Während des Einspritzens des Kunststoffs bzw. während dem Aufschäumen ist das Halbzeug 208 an seiner vorbestimmten Position im Formraum 206 gehalten. Gegebenenfalls kann jedoch auch eine druckbedingte Verlagerung des Halbzeugs 208 zugelassen werden, welche beispielsweise durch den Schmelzenfluss und/oder die Gestalt des Formraums 206 kontrolliert wird.
Vorliegend bildet das Halbzeug 208 innerhalb des Formraums 206 eine Kavität 212, in welche der schmelzflüssige Kunststoff durch den Kanal 210 eingespritzt wird, wobei das Halbzeug 208 an der Wandung des Formraums 206 zur Anlage kommt. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Formraum 206 in Teilräume 214, 216 unterteilt, welche beide mit Kunststoff füllbar sind. Auf diese Weise können Schichtkörper erzeugt werden, welche nur in einem Teilbereich eine geschichtete Struktur mit einem Randbereich erhöhter Festigkeit aufweisen. Zur Füllung des Teilraums 216 kann beispielsweise das Halbzeug 208 zumindest bereichsweise durchlässig sein, sodass Kunststoff aus dem Teilraum 214 durch das Halbzeug 208 in den Teilraum 216 dringen kann. Das Halbzeug 208 kann hiefür an sich durchlässig oder beispielsweise bereichsweise mit Öffnungen versehen sein. Es können jedoch alternativ oder zusätzlich auch Kanäle, wie 210 vorgesehen sein, welche in den Teilraum 216 münden, sodass der Teilraum 216 direkt mit schmelzflüssigem Kunststoff beaufschlagbar ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers, insbesondere eines mehrschichtigen Strukturbauteils, umfassend Randbereiche erhöhter Festigkeit sowie Bereiche geringerer Festigkeit, in einem durch Werkzeugschalen gebildeten Formraum eines öffen- und schließbaren Formwerkzeugs, gekennzeichnet durch die Schritte – Einlegen eines die Randbereiche des Schichtkörpers bildenden Halbzeugs (108) in das geöffnete Formwerkzeug (100), – Schließen des Formwerkzeugs (100), wobei das Halbzeug (108, 208) unter Bildung einer Kavität (212) verformt wird und – Einspritzen eines die Bereiche geringerer Festigkeit bildenden Kunststoffs in die durch das Halbzeug (108, 208) gebildete Kavität (212).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (108) in geeignete Aufnahmen an den Werkzeugschalen (102, 104) eingelegt wird und die folgende Formgebung durch die Ausgestaltung des Formraums (106, 206) unterstützt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (108, 208) beim Einspritzen des Kunststoffs druckbedingt zumindest bereichsweise an den den Formraum (206) bildenden Werkzeugschalen (202, 204) zur Anlage gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspritzen das Halbzeug (208) bereichsweise von Kunststoff durchdrungen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche geringerer Festigkeit bildender Kunststoff außerhalb der durch das Halbzeug (208) gebildeten Kavität (212) in den Formraum (206, 216) eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch ein plattenförmiges Halbzeug (108, 208) mit in einer thermoplastischen Matrix eingebetteten Fasern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (108, 208) vor dem Umformen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine automatisiertes Einlegen des Halbzeugs (108) in das Formwerkzeug (100).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingespritzte Kunststoff schäumbar ist.