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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Formteilen aus Kunststoff sowie ein Formwerkzeug zur Durchführung dieses
Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung von Formteilen aus faserverstärktem, beispielsweise kohlefaserverstärktem, Kunststoff.
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STAND DER TECHNIK
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Bislang
war es üblich,
Formteile aus Kunststoff, beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff,
die zum Beispiel im Flugzeugbau Verwendung finden, zunächst unter
thermischer Einwirkung zu verformen und das so hergestellte Formteil
anschließend
auf die erforderlichen Maße
zu bearbeiten. Diese Bearbeitung erfolgt in der Regel auf mehrachsigen,
numerisch gesteuerten Fräsmaschinen. Ein
Nachteil bei dieser Vorgehensweise ist der hohe Aufwand für die sich
an den Umformprozess anschließende
Bearbeitung des Formteiles. Zudem werden die Kanten des Formteils
durch die sich an den Umformprozess anschließende Bearbeitung aufgeraut,
wodurch die Enden der im Kunststoff enthaltenen Fasern freiliegen.
Um zu vermeiden, dass die Fasern während des späteren Einsatzes
des Formteils, beispielsweise durch Einwirken von Gasen oder Flüssigkeiten
auf die offenen Kanten, Schaden nehmen, ist es erforderlich, die
Kanten des Formteils nach der Bearbeitung zu versiegeln, wodurch
ein weiterer Bearbeitungsschritt erforderlich wird.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung
von Formteilen aus Kunststoff anzugeben, bei welchem die Anzahl der
Verfahrensschritte reduziert ist und somit die Herstellungskosten
gegenüber
dem Stand der Technik niedriger sind. Auch soll ein für ein derartiges
Verfahren geeignetes Formwerkzeug angegeben werden.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Dieses
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff weist die folgenden
Schritte auf:
- a) Bereitstellen einer ein Kunststoffmaterial
aufweisenden Platine;
- b) Bearbeiten der Platine zur Erzeugung eines Rohlings mit einer
Kontur, die der Abwicklung des fertigen Formteils in die Ebene der
Platine entspricht;
- c) Erwärmen
des Rohlings;
- d) plastisches Umformen des erwärmten Rohlings zu einem Formteil
mit der endgültigen
Form mittels eines Formwerkzeugs, wobei zumindest eine der Kanten
des Rohlings während
des Verformens an im Formwerkzeug vorgesehenen Anlageflächen anliegt
oder dort zur Anlage kommt.
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VORTEILE
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Bei
diesem Verfahren wird die Platine bereits im Schritt b) so auf Maß gearbeitet,
dass eine zusätzliche
Bearbeitung nach dem Umformschritt nicht mehr erforderlich ist.
Die im Schritt b) bearbeiteten Konturkanten des Rohlings werden
durch das Erwärmen
im Schritt c) durch das dann fließfähige Matrixmaterial des Kunststoffs
versiegelt, so dass der im Stand der Technik erforderliche zusätzliche
Schritt des Versiegelns der Formteilkanten entfallen kann. Das Vorsehen
von Anlageflächen
im Formwerkzeug, an welche zumindest eine der Kanten des Rohlings während des
Verformens zur Anlage kommt oder während des gesamten Umformprozesses
anliegt, sorgt dafür,
dass diese Kante am Ende des Umformschritts maßhaltig ist und nicht weiter
zu überarbeitet werden
braucht. Vorzugsweise werden alle relevanten Kanten des Rohlings
während
des Schrittes des plastischen Umformens gegen entsprechende Anlageflächen am
Formwerkzeug, so genannte ”Net-Moulding-Kanten” zur Anlage
gebracht oder liegen während
der Umformung an derartigen Anlageflächen des Formwerkzeugs an,
wodurch die Maßhaltigkeit
der Formteilkanten und folglich des gesamten fertigen Formteils
gewährleistet
wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist das Kunststoffmaterial faserverstärkt, insbesondere mit Kohlefasern
verstärkt,
und das Kunststoffmaterial weist ein thermoplastischen Matrixmaterial,
insbesondere PPS (Polyphenylensulfid), auf.
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Vorzugsweise
erfolgt das Bearbeiten der Platine im Schritt b) durch spanlose
und/oder spanabhebende Bearbeitungsschritte. Die spanlosen Bearbeitungsschritte
können
beispielsweise Schneiden oder Stanzen sein und die spanabhebenden
Bearbeitungsschritte sind beispielsweise Bohren, Sägen oder
Fräsen.
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Das
Erwärmen
des Rohlings im Schritt c) erfolgt vorzugsweise durch Wärmeleitung.
Hierdurch wird eine besonders homogene Erwärmung der Platine erzielt.
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Es
ist besonders von Vorteil, wenn das im Schritt d) gebildete Formteil
für eine
vorgegebene Zeitspanne im geschlossenen Formwerkzeug verbleibt und
wenn in dieser Zeitspanne die Temperatur des Formwerkzeugs und damit
des Formteils auf eine vorgegebene Temperatur heruntergekühlt wird, bevor
das fertige Formteil aus dem Formwerkzeug entfernt wird. Diese Abkühlung des
Formteils im Formwerkzeug sorgt für eine besonders gute Maßhaltigkeit
des fertigen Formteils.
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Der
auf das Formwerkzeug gerichtete Teil der Aufgabe wird durch das
Formwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Das
Formwerkzeug weist zumindest eine Matrize und zumindest einen Stempel
auf, die gegeneinander verfahrbar sind, wobei der Stempel und/oder
die Matrize Anlageflächen
für zumindest eine
der Kanten des umzuformenden Rohlings aufweist. Diese Anlageflächen, die
auch als ”Net-Moulding-Kanten” bezeichnet
werden, sorgen für
eine Fixierung der zugeordneten Kanten des umzuformenden Rohlings,
wodurch eine Maßhaltigkeit
der entsprechenden Kanten des fertigen Formteils gewährleistet
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert;
es zeigt:
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1 einen
Platinen-Rohling;
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2 ein
fertiges Formteil in der Frontansicht in Richtung des Pfeils II
in 3;
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3 das
fertige Formteil in der Ansicht von unten in Richtung des Pfeils
III in 2;
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4 das
fertige Formteil in der Seitenansicht von links in Richtung des
Pfeils IV in 2;
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5 ein
geöffnetes
Formwerkzeug zur Herstellung des in den 2 bis 4 gezeigten
Formteils.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In 1 ist
ein ebener Rohling 1 dargestellt, der aus einer Kunststoff-Platine,
beispielsweise durch Schneiden oder Fräsen, herausgearbeitet worden
ist. Die Umrisskante 10 des Rohlings 1 begrenzt die
geometrische Abwicklung eines zu erzeugenden fertigen Formteils
in die Ebene der Platine. Strichpunktierte Doppellinien A, B, C
bezeichnen die Faltkanten, entlang derer der Rohling beim Umformen abgekantet
wird. Die Faltkanten A, B und C unterteilen den Rohling 1 in
mehrere Flächenbereiche,
nämlich
in einen unteren Frontflächenbereich 12,
einen seitlich-oberen Frontflächenbereich 14,
einen Bodenbereich 16 und einen linken Seitenbereich 18.
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Der
Rohling 1 wird zunächst
so weit erwärmt, dass
das Matrixmaterial des Kunststoffs weich und verformbar wird. Danach
wird der Rohling in ein Formwerkzeug eingelegt und entlang der an
den Bodenbereich angrenzenden Doppellinien A und C um einen vorgegebenen
Winkel, im vorliegenden Fall um 90°, abgekantet. Anschließend wird
der Rohling 1 noch um die Doppellinie B abgekantet und
erhält
so seine in den 2 bis 4 gezeigte
endgültige Form.
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In
den 2, 3 und 4, die unterschiedliche
Ansichten des fertigen Formteils zeigen, sind die Faltkanten A,
B und C sowie die abgekanteten Flächenbereiche 12, 14, 16 und 18 dargestellt.
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5 zeigt
ein Formwerkzeug zur Durchführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Formwerkzeug weist
als Oberwerkzeug einen Stempel 2 und als Unterwerkzeug
eine Matrize 3 auf.
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Die
Matrize 3 umfasst einen Eintauchrahmen 30, in
dem ein gefederter Boden 32 derart verschiebbar gelagert
ist, dass der gefederte Boden 32 von einer Druckkraft des
Stempels 2 beaufschlagt gegen eine Federkraft in den Eintauchrahmen 30 hineinschiebbar
ist.
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Die
Oberseite 34 des gefederten Bodens 32 bildet eine
Negativform mit zwei Vertiefungen 36, 38, die
jeweils von einer Formkante 35 beziehungsweise 37 gegen
den erhabenen Teil der Oberseite 34 des gefederten Bodens 32 begrenzt
sind.
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Die
Formkanten 35, 37 entsprechen in ihrer Kontur
den Kantenabschnitten 16', 16'' des Bodenbereichs 16 des
Rohlings 1.
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Der
Rohling 1 wird mit seinem Bodenbereich 16 so auf
der Oberseite 34 des gefederten Bodens 32 platziert,
dass die beiden Teile des Bodenbereichs 16 in den Vertiefungen 36 beziehungsweise 38 zu
liegen kommen. Die Kante 16' des Bodenbereichs 16 liegt dabei
an der Formkante 35 der Vertiefung 36 an und die
Kante 16'' des Bodenbereichs 16 liegt
dabei an der Formkante 37 der Vertiefung 38 an.
Anschließend
wird der Stempel 2 gegen die Matrize 3 verfahren,
sodass die untere Fläche 20 des
Stempels 2 auf der Oberseite 34 des gefederten
Bodens 32 und dem Bodenbereich 16 des Rohlings 1 aufliegt.
Der Rohling 1 ist auf diese Weise im Formwerkzeug fixiert.
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Der
Stempel 2 ist an seiner in 5 vorderen
Seite 22 mit einer großflächigen Vertiefung 24 versehen,
die von einer äußeren Formkante 23 zum erhabenen
Teil der vorderen Seite 22 des Stempels 2 begrenzt
ist. Innerhalb der Vertiefung 24 ist ein weiterer erhabener
Bereich 26 vorgesehen, der gegenüber der Vertiefung von einer
inneren Formkante 25 begrenzt ist. Die vordere Seite 22 des
Stempels 2 ist mit einer weiteren Vertiefung 28 versehen,
die gegenüber dem nicht vertieften Bereich der vorderen Seite 22 von
einer seitlichen Formkante 27 begrenzt ist.
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Die
in 5 linke Seite 21 des Stempels 2 ist mit
einer seitlichen Vertiefung 29 versehen, die gegenüber dem
nicht vertieften Bereich der linken Seite 21 durch eine
seitliche Formkante 29' abgegrenzt
ist. Die Vertiefungen 28, 29 gehen ineinander über.
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Wird
der Stempel 2 gegen die elastische Kraft des gefederten
Bodens 32 in Richtung des Pfeils P weiter nach unten gefahren,
so taucht der gefederte Boden 32 zusammen mit dem Stempel 2 in den
Eintauchrahmen 30 der Matrize 3 ein. Der zwischen
der Oberseite 34 der Matrize 3 und der Unterseite 20 des
Stempels 2 eingespannte Rohling 1 wird dann von
dem umlaufenden Rand 31 des Eintauchrahmens 30 nach
oben gezwungen, wobei der Rohling entlang der in 1 gezeigten
Doppellinien A und C abgebogen wird. Beim weiteren Eintauchen des
Stempels 2 in den Eintauchrahmen 30 legt sich der
untere Frontflächenbereich 12 des
Rohlings in die Vertiefung 24 an der vorderen Seite 22 des
Stempels 2 und der linke Seitenbereich 18 des
Rohlings 1 legt sich in die seitliche Vertiefung 29 des
Stempels 2.
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Nachdem
der Stempel 2 in den Eintauchrahmen 30 der Matrize 3 eingetaucht
ist, wird der seitlich-obere Frontflächenbereich 14 des
Rohlings 1 mittels eines – nicht gezeigten – Schiebers
entlang der Doppellinie B in 1 um den
in 5 gezeigten Kantenabschnitt 29'' des Stempels 2 abgebogen,
sodass der seitlich-obere
Frontflächenbereich 14 in
der Vertiefung 28 des Stempels 2 zu liegen kommt.
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In
dieser eingetauchten Position liegt die äußere Umfangskante 12' des unteren
Frontflächenbereichs 12 des
Rohlings 1 gegen die Formkante 23 der vorderen
Seite 22 des Stempels 2 an und die innere Formkante 12'' des unteren Frontflächenbereichs 12 liegt
gegen die Formkante 25 des erhabenen Abschnitts 16 der
vorderen Seite 22 des Stempels 2 an.
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Die
Außenumfangskante 18' des linken
Seitenbereichs 18 des Rohlings 1 liegt an der
seitlichen Formkante 29' des
Stempels 2 an und ein unterer Abschnitt 14' des seitlich-oberen
Frontflächenbereichs 14 des
Rohlings 1 gerät
gegen einen Abschnitt der Formkante 27 zur Anlage.
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Die
Formkanten 35, 37 in der Matrize 3 und die
Formkanten 23, 25, 27 und 29' des Stempels 2 bilden
somit maßtreue
Begrenzungen für
das fertige Formteil, das nach dem Abkühlen des Formwerkzeugs aus
diesem entnommen wird. Das fertige Formteil entspricht somit den
durch die Vertiefungen 36, 38 in der Matrize 3 und
die Vertiefungen 24, 28, 29 des Stempels 2 bestimmten
vorgegebenen Abmessungen, sodass das fertige Formteil nicht mehr beschnitten
werden muss.
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Während des
Umformschrittes stützen
sich somit Kantenabschnitte der Umfangskante 10 des Rohlings
gegen im Formwerkzeug vorgesehene und Formkanten bildende Anlageflächen ab,
wodurch gewährleistet
wird, dass die Kantenabschnitte nach dem Umformen des Rohlings 1 eine
definierte räumliche
Lage einnehmen, die jeweils einem Sollmaß des fertigen Formteils entspricht.
Dadurch ist ein Nachbearbeiten der Kanten des fertigen Formteils nicht
mehr erforderlich.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohling
- 2
- Stempel
- 3
- Matrize
- 10
- Umformkante
- 12
- unterer
Frontflächenbereich
- 14
- seitlich-oberer
Frontflächenbereich
- 14'
- unterer
Abschnitt von 14
- 16
- Bodenbereich
- 18
- linken
Seitenbereich
- 20
- Unterseite
von 2
- 21
- linke
Seite von 2
- 22
- vordere
Seite von 2
- 23
- äußere Formkante
- 24
- Vertiefung
- 25
- innere
Formkante
- 26
- erhabener
Bereich
- 27
- Formkante
- 28
- Vertiefung
- 29
- Vertiefung
- 29'
- Formkante
- 29''
- Kantenabschnitt
- 30
- Eintauchrahmen
- 31
- umlaufender
Rand
- 32
- gefederter
Boden
- 34
- Oberseite
von 32
- 35
- Formkante
- 36
- Vertiefung
- 37
- Formkante
- 38
- Vertiefung
- A,
B, C
- Faltkanten
