DE102006017771A1

DE102006017771A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers

Info

Publication number: DE102006017771A1
Application number: DE102006017771A
Authority: DE
Inventors: Herbert Boerger; Ulrich Schwarz
Original assignee: Individual
Current assignee: Covestro Thermoplast Composite GmbH
Priority date: 2006-04-15
Filing date: 2006-04-15
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2007118643A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, ausgehend von einem mit unidirektional verlaufenden, inkorporierten, endlosen Fasern verstärkten Kunststoffprofil, umfasst eine Biege-Formgebung des Kunststoffprofils durch Verformen desselben zwischen einer äußeren und inneren Matrize (3), wobei das Kunststoffprofil (1) im Mittelbereich erhitzt wird, wobei die Enden des Kunststoffprofils (1) kalt gehalten bzw. gekühlt werden und wobei die kalten Enden E des Kunststoffprofils (1) während des gesamten Formgebungsvorganges von einer Greifeinrichtung erfasst sind und mit einer axialen Zugkraft beaufschlagt werden und wobei die kalten Enden E mittels der Greifeinrichtung entgegen der Biegerichtung beim Formgebungsverfahren abgebogen werden.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers ausgehend von einem mit unidirektional verlaufenden, inkorporierten, endlosen Fasern verstärkten Kunststoffprofil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren so auszugestalten, dass eine weitgehende Automatisierung des Herstellungsverfahrens bei vergleichsweise kurzen Taktzeichen mit optimalen Form- und Festigkeitseigenschaften des Endprodukts erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Biege-Formgebung des Kunststoffprofils durch Verformen desselben zwischen einer äußeren und inneren Matrize erfolgt, wobei das Kunststoffprofil im Mittelbereich erhitzt wird, wobei die Enden des Kunststoffprofils kalt gehalten bzw. gekühlt werden, wobei die kalten Enden des Kunststoffprofils während des gesamten Formgebungsvorganges von einer Greifeinrichtung erfasst sind und mit einer axialen Zugkraft beaufschlagt werden, und wobei die kalten Enden mittels der Greifeinrichtung entgegen der Biegerichtung beim Formgebungsverfahren abgebogen werden.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, endlos faserverstärkte geschlossene Profile, also Halbzeuge, zu verarbeiten, die aus einem bereits konsolidierten Laminat bestehen, das aus Hochleistungsfasern, wie z. B. CF, GF oder AF, und einer thermoplastischen Matrix, wie z. B. PP, ABS, PA, TPU, PES, gebildet ist, und zwar mit einer Faserverstärkung, die überwiegend aus 0°-Faserorientierung und je nach den Belastungsanforderungen zusätzlichen Schichten anderer Orientierung besteht. Dementspre chend bestehen die Verstärkungsfasern nicht bzw. nicht nur, wie an sich bekannt, aus einem Geflecht (Englisch: braid).
Die Erhitzung des Mittelbereiches des Halbzeuges, dessen Länge je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgeprägt sein kann, erfolgt über den Schmelzpunkt. Der erhitzte Halbzeug-Rohling wird an den kalten Enden eingespannt gehalten, welche so ausgebildet sein müssen, dass sie in verschiedene Raumrichtungen präzise gesteuert werden können. Das Ablegen des Halbzeugs bzw. des Kunststoffprofils in die Form kann relativ schnell erfolgen.
Erfindungsgemäß wird erreicht, dass trotz unterschiedlicher Krümmungsverläufe der Mittel-Längs-Achse des Kunststoffprofils die unidirektionalen Endlosfasern immer glatt gestreckt im Laminat liegen bleiben und nicht gestaucht oder zerrissen werden, was die Leistungsfähigkeit des resultierenden Produkts außerordentlich negativ beeinflussen würde.
Dabei ist von wesentlicher Bedeutung für die resultierende Qualität neben einer präzisierten Zeitablauf- und Temperatur-Kontrolle die Ausrichtung der festgehaltenen kalten Profilenden gegenüber der Bauteilgeometrie während und nach Abschluss der Formgebungsphase des erhitzten Kunststoffprofils, das heißt in demjenigen Zeitintervall, in dem die schmelzflüssige Matrix ein Abgleiten der Fasern gegeneinander zulässt.
Es handelt sich also um eine Schwenkbewegung in der Regel ohne überlagernde Drehbewegung der kalten Profilenden gegen die Achse derart, dass die Profilenden zu der Seite, die wegen des Krümmungsverlaufes eine längere Faserlauflänge beansprucht, hingeschwenkt werden, während gleichzeitig die unidirektionalen Fasern, die eine kürzere Lauflänge im Profil beanspruchen, zum Ende hingezogen werden, damit auch diese gestreckt bleiben.
Für die Realisierung dieser Bewegung ist jeweils am Ende und außerhalb des eigentlichen Bauteils eine Ausgleichs-Profillänge erforderlich, die nach Abschluss der Formgebung entfernt wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Hochleistungs-Faserverbundkunststoff-Bauteile mit hoher Produktivität bei kurzer Zykluszeit hergestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, in ein hohles zu verformendes Kunststoffprofil einen Folien-Dichtschlauch einzubringen, und dessen Enden im Blasverfahren mit Druckluft zu beaufschlagen.
Es ist ein solches Blasverfahren in der Kunststoffformtechnik an sich bekannt. Es wird hierdurch erreicht, dass das Kunststoffprofil sauber an der Innenwand des Formteils anliegt und diese abbildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beispielsweise zur Herstellung von gekrümmten Blattfedern oder eines Tennisschläger-Rahmens, wobei insoweit vorgesehen sein kann, dass ausgehend von einem rohrförmigen, thermoplastischen Strangprofil die Verformung beim äußeren Scheitelpunkt der Schlägerfläche des Rahmens beginnt und die gekühlten Enden sich am Ende des Formgebungsvorganges außerhalb des Schlägerstils befinden, der dadurch gebildet wird, dass zusammengeführte Abschnitte des Kunststoffprofils parallel zueinander, aneinander anliegend verlaufen.
Dabei können sich die Rohrwände entweder direkt zu einem Mittelsteg vereinigen oder beidseitig an einer, die Profilstrecke dort separierenden harten oder elastischen Zwischenplatte anliegen, die eine stützende oder dämpfende Funktion haben kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener aufeinanderfolgender Verfahrensstufen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung eines Tennisschläger-Rahmens.
In 1 ist ein Kunststoffprofil 1 dargestellt, welches beispielsweise als Rohr ausgebildet ist, welches gleichermaßen aber auch ein Vollprofil, z. B. ein Stabprofil beliebigen Querschnitts, sein kann.
Im Ausgangszustand liegt das Kunststoffprofil 1 als beispielsweise gerades Rohr aus Polyamid 6 mit unidirektional in Längsrichtung verlaufenden, endlosen, in das Kunststoff-Grundmaterial inkorporierten Graphit-Verstärkungsfasern vor.
Durch das erfindungsgemäße Formgebungsverfahren soll das im Ausgangszustand gerade, rohrförmige Kunststoffprofil 1, wie in 1 dargestellt, gebogen werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich natürlich komplexe Formgebungen realisieren, wobei vorliegend zur Erläuterung der Erfindung besonders einfache geometrische Verhältnisse herangezogen wurden.
Zur Formgebung wird der Mittelbereich M erhitzt, während die beiden Endabschnitte E kalt gehalten werden.
Der Mittelbereich wird, wie nachfolgend in Verbindung mit 2 bis 6 näher erläutert, zwischen einer Patrize 2 und einer Matrize 3 verformt.
Bei dieser Verformung legen unterschiedliche Querschnittsbereiche des Kunststoffprofils 1 unterschiedliche Verformungswegstrecken zurück. Beispielsweise wird der innere Begrenzungsbereich 4 mit einem Biegeradius R_i und der äußere Begrenzungsbereich 5 mit einem Biegeradius R_a verformt, sodass entsprechend die dort verlaufenden unidirektionalen Verstärkungsfasern unterschiedlich gestreckt werden, wie dies in 1 durch den Pfeil für die Länge der außenliegenden Fasern und durch den Pfeil 7 für die Länge der innenliegenden Fasern veranschaulicht wird, wobei die Pfeilspitzen jeweils das Ende von Faserabschnitten der gleichen absoluten Länge bezeichnen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zum Ausgleich der Biegung um den Radius R die kalten Enden durch eine Greifeinrichtung festgehalten und in Richtung des Pfeils 8 um einen Winkel α nach außen verschwenkt werden.
Die vorstehend prinzipiell beschriebene Umformtechnik wird nachfolgend in Verbindung mit 2 bis 6 anhand des konkreten Beispiels eines Tennisschläger-Rahmens erläutert.
Dabei besteht die Matrize 3 aus zwei um ein Schwenklager 9 zusammenschwenkbaren Formhälften 10, 11 und die Patrize 2 aus einem Formteil 12 mit einer umlaufenden in Radialrichtung offenen Nut 13 entsprechend der Außenkontur eines Tennisschläger-Rahmens, wobei in diese Nut 13 zur Formgebung ein Kunststoffprofilrohr 1 aus Polyamid 6 mit Karbonverstärkungsfasern eingelegt wird.
Zur Formgebung werden die kalten Enden E mittels einer Greifeinrichtung erfasst und festgehalten, wobei während des gesamten Formgebungsverfahrens eine axiale Zugkraft in Richtung der Pfeile 14 bzw. 15 aufrechterhalten wird.
In 2 ist die Anfangsphase dargestellt, in welcher das Kunststoffprofil 1 noch unverformt linear ist.
In der in 3 dargestellten zweiten Stufe befindet sich das Kunststoffprofil 1 in der Form-Nut 13 der Patrize 2 und die Matrize 3 bzw. deren Formhälften 10, 11 werden in Richtung der Pfeile 16, 17 progressiv zusammengeklappt, wobei, wie in Verbindung mit 4 bis 6 veranschaulicht, das Kunststoffprofil 1 immer weiter in die Nut 13 um die Patrize 2 herum eingelegt wird. Dabei wird weiterhin eine axiale Zugkraft in Richtung der Pfeile 14 und 15 aufrechterhalten und die kalten Enden E werden, wie aus 4 bis 6 ersichtlich, entgegen der Biegung des Kunststoffprofils 1 in der Form nach außen gebogen.
6 veranschaulicht den Endzustand der Formgebung.
In das rohrförmige Kunststoffprofil 1 kann ein Folienschlauch mit einer Wandstärke von beispielsweise 200 μm aus Polyamid 6.6 eingelegt sein, wobei die Enden des Folienschlauchs (der in der Figur nicht dargestellt ist) gemäß dem an sich bekannten Blasverfahren mit Druck beaufschlagt werden, um den Folienschlauch an die Innenwand des zu verformenden Kunststoffprofils zu legen und das Kunststoffprofil 1 wiederum gegen die Innenwand der Formhälften 10, 11 der Matrize 3, sodass eine gleichmäßige Außenkontur erhalten wird. Der innenliegende Kunststoffschlauch sorgt als Dichtung, sodass die Druckluft auch dann nicht entweichen kann, wenn das verformte Profil während des Formgebungsvorganges Risse oder dergleichen erhalten haben sollte.
Nach dem Abkühlen der Form und dem Abschalten der Druckluft werden die, wie aus 6 ersichtlich, am Ende des Formgebungsvorganges abgewinkelt nach außen vorstehenden Enden E abgeschnitten und es liegt ein fertiger Tennisschläger-Rahmen vor, wobei zwei parallel zueinander verlaufende, aneinander anliegende Abschnitte S des Kunststoffprofils 1 den Stil des Schlägerrahmens ausbilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers ausgehend von einem mit unidirektional verlaufenden, inkorporierten, endlosen Fasern verstärkten Kunststoffprofil, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Biege-Formgebung des Kunststoffprofils durch Verformen desselben zwischen einer äußeren und inneren Matrize (3) erfolgt, wobei das Kunststoffprofil (1) im Mittelbereich erhitzt wird, – wobei die Enden des Kunststoffprofils (1) kalt gehalten bzw. gekühlt werden und – wobei die kalten Enden E des Kunststoffprofils (1) während des gesamten Formgebungsvorganges von einer Greifeinrichtung erfasst sind und mit einer axialen Zugkraft beaufschlagt werden, und wobei – die kalten Enden E mittels der Greifeinrichtung entgegen der Biegerichtung beim Formgebungsverfahren abgebogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in ein hohles zu verformendes Kunststoffprofil (1) ein Folien-Dichtschlauch eingebracht wird und dessen Enden im Blasverfahren mit Druckluft beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung eines geschlossenen Rahmens für einen Tennisschläger oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem rohrförmigen, thermoplastischen Strangprofil die Verformung beim äußeren Scheitelpunkt der Schlägerfläche des Rahmens beginnt und die gekühlten Enden sich am Ende des Formgebungsvorganges außerhalb des Schlägerstils befinden, der dadurch gebildet wird, dass zusammengeführte Abschnitte des Kunststoffprofils parallel zueinander, aneinander anliegend verlaufen.