DE102010001634A1 - Method for producing a component from an organic sheet - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus einer in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteten Faseranordnung, wobei zur Herstellung des Bauteils das Organoblech thermisch umgeformt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer Aussparung (2) in dem Bauteil die Faseranordnung (10) des Organoblechs (1) aufgeweitet wird, indem ein Formteil (3) am Ort der zu bildenden Aussparung (2) in das Organoblech (1) eingeschoben wird. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Organoblech geschaffen, mit dem in einfacher Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können, ohne die Struktur der verstärkenden Fasern zu zerstören.The invention relates to a method for producing a component from a continuous-fiber-reinforced thermoplastic, referred to as organic sheet, consisting of a fiber arrangement embedded in a matrix made of a thermoplastic, the organic sheet being thermally deformed to produce the component. It is provided that the fiber arrangement (10) of the organic sheet (1) is expanded to form a cutout (2) in the component by inserting a molded part (3) into the organic sheet (1) at the location of the cutout (2) to be formed becomes. In this way, a method for producing a component from an organic sheet is created, with which recesses can be introduced into an organic sheet in a simple manner without destroying the structure of the reinforcing fibers.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff.The invention relates to a method for producing a component from an endless fiber-reinforced thermoplastic material called organic sheet.
Als Organobleche werden plattenförmig vorliegende, endlosfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe bezeichnet, die aus einer in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteten Faseranordnung bestehen. Die Endlosfasern können hierbei als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder auch als Gelege vorliegen und sind in die Matrix eingebettet. Die Fasern können beispielsweise aus Glas-, Kevlar- oder Kohlefasern hergestellt sein. Als thermoplastischer Kunststoff für die Matrix eignet sich zum Beispiel Polyamid, unter anderem aufgrund seiner guten Haftungseigenschaften zu den Fasern.The organo sheets are plate-shaped, continuous-fiber-reinforced thermoplastics, which consist of a fiber arrangement embedded in a matrix of a thermoplastic. The continuous fibers can be present here as a unidirectional layer, as a woven fabric or as a scrim and are embedded in the matrix. The fibers can be made, for example, from glass, Kevlar or carbon fibers. As a thermoplastic material for the matrix is suitable, for example, polyamide, inter alia, due to its good adhesion to the fibers.
Unter „endlosfaserverstärkt” ist hier zu verstehen, dass die Länge der zur Verstärkung dienenden Fasern im Wesentlichen durch die Größe der hergestellten Bauteile oder die Abmessungen verwendeter Organobleche begrenzt ist, innerhalb eines Bauteils oder Organoblechs eine Faser aber im Wesentlichen nicht unterbrochen ist.By "continuous fiber reinforced" it is meant herein that the length of the reinforcing fibers is essentially limited by the size of the fabricated components or the dimensions of the organo sheets used, but within a component or organic sheet a fiber is substantially uninterrupted.
Aus Organoblech hergestellte Bauteile sind Hybridbauteile, die aus Kunststoff bestehen und, verglichen mit aus Metallblechen hergestellten Bauteilen, leichter sind und gleichzeitig eine hohe Flächensteifigkeit und Festigkeiten aufweisen.Organo-fabricated components are hybrid components that are made of plastic and, compared to components made of sheet metal, are lighter and, at the same time, have high surface stiffness and strength.
Aus einem Organoblech gebildete Bauteile werden durch thermische Umformung des Organoblechs hergestellt. Dazu wird das Organoblech zunächst erhitzt, um die Matrix des Organoblechs aufzuschmelzen, und anschließend wird das Organoblech durch Tiefziehen umgeformt. Als Tiefziehen wird herkömmlich das Zugdruckumformen eines (Blech-)Zuschnitts in einen einseitig offenen Hohlkörper bezeichnet. Als Tiefziehen wird in diesem Zusammenhang auch das thermische Umformen von Kunststoffen bezeichnet. Grundsätzlich lässt sich das Tiefziehen dabei unterteilen in das Tiefziehen mit Formwerkzeugen (unter Verwendung eines so genannten Ziehrings, Stempels und Blechhalters), das Tiefziehen mit Wirkmedien (z. B. Gase oder Flüssigkeiten) und das Tiefziehen mit Wirkenergie (z. B. Hochgeschwindigkeitsumformen).Components formed from an organic sheet are produced by thermal deformation of the organic sheet. For this purpose, the organic sheet is first heated to melt the matrix of the organic sheet, and then the organo sheet is formed by deep drawing. As deep drawing is conventionally called the Zugdruckumformen a (sheet) blank in a one-sided open hollow body. As deep drawing in this context, the thermal forming of plastics is referred to. In principle, thermoforming can be subdivided into thermoforming with molding tools (using a so-called drawing ring, punch and blank holder), deep drawing with active media (eg gases or liquids) and deep drawing with active energy (eg high-speed forming). ,
Organobleche können tiefgezogen (also thermisch umgeformt) werden, solange sich die Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff in einem geschmolzenen (oder weitestgehend geschmolzenen) Zustand befindet. Durch das Tiefziehen erhält das Organoblech seine gewünschte Form, indem die Form beispielsweise durch Pressen in einem Werkzeug aufgeprägt wird.Organic sheets can be thermoformed (thermoformed) as long as the thermoplastic resin matrix is in a molten (or substantially molten) state. By deep-drawing the organic sheet gets its desired shape by the mold is impressed, for example by pressing in a tool.
Zur Herstellung von Bauteilen kann erforderlich sein, Aussparungen beispielsweise in Form von Durchzügen oder Öffnungen vorzusehen, die in das Organoblech eingebracht werden müssen. Bringt man diese Aussparungen nach dem Tiefziehen im erkalteten Zustand in das Organoblech ein, beispielsweise durch Bohren oder Stanzen des Organoblechs, so wird an dem Ort der Aussparung die Struktur der verstärkenden Fasern zerstört, was zu einer Materialschwächung an der Aussparung und um die Aussparung herum führen kann.For the production of components may be necessary to provide recesses, for example in the form of passages or openings, which must be introduced into the organic sheet. If you bring these recesses after deep drawing in the cooled state in the organic sheet, for example by drilling or punching the organic sheet, so the structure of the reinforcing fibers is destroyed at the location of the recess, resulting in a material weakening at the recess and around the recess around can.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Organoblech bereitzustellen, mit dem in einfacher Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können, ohne die Struktur der verstärkenden Fasern zu zerstören.The object of the present invention is to provide a method for producing a component from an organic sheet with which recesses can be easily introduced into an organic sheet without destroying the structure of the reinforcing fibers.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an article having the features of claim 1.
Demnach ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer Aussparung in dem Bauteil die Faseranordnung des Organoblechs aufgeweitet wird, indem ein Formteil am Ort der zu bildenden Aussparungen das Organoblech eingeschoben wird.Accordingly, it is provided that the fiber arrangement of the organic sheet is widened to form a recess in the component by a molded part at the location of the recesses to be formed, the organic sheet is inserted.
Dadurch, dass das Formteil senkrecht oder nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des sich flächig erstreckenden Organoblechs in das Organoblech eingeschoben wird, kann die Faseranordnung aufgeweitet werden. Das Formteil wird am Ort der zu bildenden Aussparung in das Organoblech hineingedrückt, dringt dadurch zwischen die einzelnen Fasern der Faseranordnung und weitet diese lokal am Ort der Aussparung auf. Das Formteil dringt somit durch das Organoblech hindurch und öffnet das Organoblech lokal, so dass sich eine Öffnung im Organoblech ergibt.Characterized in that the molding is inserted perpendicular or almost perpendicular to a surface of the sheet extending organo sheet in the organic sheet, the fiber assembly can be expanded. The molded part is pressed into the organic sheet at the location of the recess to be formed, thereby penetrating between the individual fibers of the fiber arrangement and expands them locally at the location of the recess. The molded part thus penetrates through the organic sheet and opens the organic sheet locally, so that there is an opening in the organic sheet.
Grundlegend kann die Aussparung während des oder nach dem thermischen Umformen des Organoblechs gebildet werden, indem das Formteil beim thermischen Umformen oder nach dem thermischen Umformen in das Organoblech zum Aufweiten der Faseranordnung eingeschoben wird.Basically, the recess can be formed during or after the thermoforming of the organic sheet by the molding is inserted during thermal forming or after the thermal forming in the organic sheet for expanding the fiber assembly.
In einer ersten Variante wird hierbei das Formteil in das Organoblech eingeschoben, während sich die Matrix beim oder unmittelbar nach dem thermischen Umformen (noch) in einem geschmolzenen Zustand befindet. Beim thermischen Umformen befindet sich das Organoblech in einem erhitzten Zustand, in dem die Matrix (weitestgehend) aufgeschmolzen ist, so dass das Organoblech formbar ist und tiefgezogen werden kann. Beim Tiefziehen oder unmittelbar danach können durch Einstecken eines oder mehrerer Formteile in das Organoblech dann Aussparungen geformt werden, wobei die Aussparungen beispielsweise in direktem Anschluss an das thermische Umformen noch innerhalb des Werkzeugs, mit dem das Organoblech thermisch umgeformt worden ist, erzeugt werden können. Es ergibt sich ein Fertigungsprozess, bei dem in einem Arbeitsgang das Organoblech thermisch umgeformt wird und in direktem Anschluss Aussparungen an den gewünschten Orten durch Aufweiten der Faseranordnung in der (noch) geschmolzenen Matrix gebildet werden.In a first variant, in this case the molded part is inserted into the organic sheet, while the matrix is (still) in a molten state during or immediately after the thermal forming. During thermal forming, the organic sheet is in a heated state, in which the matrix is (largely) melted, so that the organic sheet is malleable and can be deep-drawn. When thermoforming or immediately thereafter recesses can then be formed by inserting one or more moldings in the organic sheet, wherein the Recesses, for example, in direct connection to the thermal forming still within the tool with which the organic sheet has been thermoformed, can be generated. The result is a manufacturing process in which the organic sheet is thermoformed in one operation and recesses are formed at the desired locations by expanding the fiber assembly in the (still) molten matrix in direct connection.
Dadurch, dass die Matrix des Organoblechs zumindest teilweise noch geschmolzen und damit flüssig ist, können sich die in der Matrix eingebetteten Fasern vergleichsweise leicht bewegen und insbesondere in Richtung ihrer Längserstreckung gleiten, so dass die Faseranordnung am Ort der Aussparung in leichter Weise aufgeweitet werden kann. Dadurch, dass die Matrix sich insgesamt in geschmolzenem, weitestgehend flüssigem Zustand befindet, können Aussparungen mit vergleichsweise großem Durchmesser geschaffen werden.Because the matrix of the organic sheet is at least partially melted and thus liquid, the fibers embedded in the matrix can move comparatively easily and in particular slide in the direction of their longitudinal extent so that the fiber arrangement can be widened in an easy manner at the location of the recess. As a result of the fact that the matrix as a whole is in a molten, largely liquid state, recesses with a comparatively large diameter can be created.
In einer zweiten Variante wird die Aussparung nach dem thermischen Umformen und nach Erkalten der Matrix des Organoblechs erzeugt, indem das Formteil zum Aufschmelzen der Matrix auf eine erhöhte Temperatur gebracht und in das Organoblech eingeschoben wird. Bei dieser Variante wird die Matrix des Organoblechs in erkaltetem Zustand lokal aufgeschmolzen, um ein lokales Aufweiten der Faseranordnung des Organoblechs zu ermöglichen. Hierzu wird das Formteil erhitzt, entweder durch eine dem Formteil zugehörige Heizvorrichtung zum Beheizen des Formteils oder durch Erhitzen mit einer vom Formteil separaten Heizvorrichtung, und das heiße Formteil wird an das (erkaltete) Organoblech angesetzt. Bei Kontakt mit dem Formteil wird die Matrix des Organoblechs aufgeschmolzen, so dass im lokalen Bereich der zu bildenden Aussparung die Faseranordnung aufgeweitet werden kann, wobei die Matrix außerhalb des lokalen Bereichs der Aussparung in erkaltetem Zustand verbleibt. Vorteil dieser Variante ist, dass auch nachträglich, also nach dem thermischen Umformen des Organoblechs, noch Aussparungen eingebracht werden können. Da die erkaltete Matrix in weiten Bereichen des Organoblechs die Faseranordnung einbettet und damit starr umgibt, können nur Aussparungen mit vergleichsweise kleinem Durchmesser geschaffen werden.In a second variant, the recess is produced after the thermal forming and after cooling of the matrix of the organic sheet by bringing the molding to an elevated temperature for melting the matrix and inserting it into the organic sheet. In this variant, the matrix of the organic sheet is cold-melted in the cold state, to allow a local expansion of the fiber assembly of the organic sheet. For this purpose, the molded part is heated, either by a heater associated with the molding for heating the molding or by heating with a heater separate from the molding, and the hot molding is attached to the (cooled) organic sheet. Upon contact with the molded part, the matrix of the organic sheet is melted, so that in the local region of the recess to be formed, the fiber arrangement can be widened, wherein the matrix remains outside the local area of the recess in a cooled state. Advantage of this variant is that even later, so after the thermoforming of the organic sheet, still recesses can be introduced. Since the cooled matrix embeds and thus rigidly surrounds the fiber arrangement in large areas of the organic sheet, only recesses with a comparatively small diameter can be created.
Unabhängig von der verwendeten Variante werden beim Einschieben des Formteils in das Organoblech die Fasern lokal aufgeweitet und damit lokal in ihrer Anordnung verändert. Die Integrität der einzelnen Fasern bleibt dabei im Bereich der Aussparung erhalten, da durch das Aufweiten eine Zerstörung der Fasern und damit eine Unterbrechung der Fasern im Bereich der Aussparung vermieden werden. Die Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils wird damit auch im Bereich der Aussparung nicht (oder nur unwesentlich) herabgesetzt; es kommt zu keiner (oder nur zu einer unwesentlichen) Materialschwächung. Darüber hinaus können Kräfte, die im Bereich der Aussparung in das Bauteil eingeleitet werden (beispielsweise wenn die Aussparung als Lagerstelle dient), in günstiger Weise in das Organoblech eingeleitet und dort aufgenommen werden.Regardless of the variant used, the fibers are locally expanded during insertion of the molding into the organic sheet and thus changed locally in their arrangement. The integrity of the individual fibers is maintained in the region of the recess, since the widening avoids destruction of the fibers and thus interruption of the fibers in the region of the recess. The rigidity and strength of the component is thus not (or only slightly) reduced in the area of the recess; there is no (or only to a negligible) material weakening. In addition, forces that are introduced in the region of the recess in the component (for example, when the recess serves as a bearing), are introduced into the organo sheet in a favorable manner and recorded there.
Denkbar und möglich in diesem Zusammenhang ist auch, unterschiedliche Aussparungen zur Schaffung von Öffnungen oder Durchzügen zu unterschiedlichen Zeiten in einer Prozesskette bei der Verarbeitung von Organoblechen in das Organoblech einzubringen. Beispielsweise kann eine Anzahl von Aussparungen bereits unmittelbar bei oder unmittelbar nach dem thermischen Umformen in das Organoblech eingebracht werden. Ein weiterer Teil der Aussparungen kann dann zu einem späteren Zeitpunkt nach Erkalten des Organoblechs gebildet werden. Der Ablauf von Fertigungsschritten kann auf diese Weise optimiert und einzelne Aussparungen können in flexibler Weise auch zu einem späteren Zeitpunkt noch eingebracht werden.It is also conceivable and possible in this connection to introduce different recesses for creating openings or passages at different times in a process chain in the processing of organic sheets into the organic sheet. For example, a number of recesses can already be introduced into the organic sheet immediately at or immediately after the thermal deformation. Another part of the recesses can then be formed at a later time after cooling of the organic sheet. The sequence of manufacturing steps can be optimized in this way and individual recesses can be introduced in a flexible manner at a later date.
Das Formteil kann vorteilhafterweise nach Art einer Nadel mit einem spitzen Kopf ausgebildet sein, wobei das Formteil mit dem spitzen Kopf zum Aufweiten der Faseranordnung derart in das Organoblech eingeschoben wird, dass das Formteil mit seinem spitzen Kopf zwischen die Fasern der Faseranordnung dringt und diese lokal aufweitet. Das Formteil kann dabei als separates, beispielsweise beheizbares Werkzeug vorliegen, mit dem in flexibler Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können. Denkbar ist aber auch, dass das Formteil Bestandteil eines übergeordneten Werkzeugs beispielsweise zur thermischen Umformung des Organoblechs ist und das Einbringen von Aussparungen bereits beim thermischen Umformungsprozess ermöglicht.The molding may advantageously be formed in the manner of a needle with a pointed head, wherein the molded part is inserted with the pointed head for expanding the fiber assembly in the organic sheet such that the molding penetrates with its pointed head between the fibers of the fiber assembly and this expands locally , The molded part can be present as a separate, for example heatable, tool with which recesses can be introduced into an organic sheet in a flexible manner. It is also conceivable that the molding is part of a parent tool, for example, for thermal deformation of the organic sheet and allows the introduction of recesses already in the thermal deformation process.
Zur weiteren Bearbeitung der Aussparung beispielsweise zur Schaffung eines Durchzugs oder zur Formung einer Lagerstelle oder dergleichen kann in einem weiteren Verfahrensschritt während oder nach Bildung der Aussparung Kunststoff im Bereich der Aussparung an das Organoblech angespritzt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Durchzug gebildet oder auch die Faseranordnung mit ihren um die Aussparung verlaufenden Fasern um das Loch herum in Kunststoff eingebettet werden. Hierzu kann Kunststoff ringförmig um die Aussparung herum angespritzt werden, wobei das Organoblech im Bereich der Aussparung noch nicht vollständig erkaltet oder erneut erwärmt werden sollte, um eine stoffschlüssige Verbindung des angespritzten Kunststoffs mit dem Organoblech zu erreichen.For further processing of the recess, for example, to create a passage or for forming a bearing or the like plastic can be molded in the recess of the organic sheet in a further step during or after formation of the recess. In this way, for example, a passage formed or the fiber assembly with its running around the recess fibers are embedded around the hole in plastic. For this purpose, plastic can be molded in an annular manner around the recess, wherein the organic sheet in the region of the recess should not be completely cooled or reheated to achieve a material connection of the molded plastic with the organic sheet.
In einem weiteren Verfahrensschritt ist es auch möglich, weitere Teile wie Verrippungen oder Versteifungen oder auch andere Funktionskomponenten wie Halterungen, Führungen oder andere Bauteile an das Organoblech anzuspritzen, um integrierte, hybride Bauteile beispielsweise zur Verwendung in eine Fahrzeugtür oder, einem Fahrzeugsitz zu schaffen. Durch Anspritzen der Verrippungen oder Versteifungen ist es insbesondere möglich, eine Rippenstruktur zu erzeugen, durch die die Festigkeit und Verbindungssteifigkeit des hergestellten Bauteils weiter verbessert werden kann. In a further method step, it is also possible to inject further parts such as ribs or stiffeners or other functional components such as brackets, guides or other components to the organic sheet to create integrated, hybrid components, for example, for use in a vehicle door or a vehicle seat. By sprinkling the ribs or stiffeners, it is in particular possible to produce a rib structure, by means of which the strength and connection stiffness of the manufactured component can be further improved.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Bauteilen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise Sitzteile, Teile einer Fahrzeugtür oder eines Türmoduls, Verkleidungsteile oder Karosserieteile. Der Einsatz der Erfindung ist grundlegend aber nicht auf den Fahrzeugbau beschränkt, sondern kann überall dort erfolgen, wo leichtgewichtige Bauteile mit einer hohe Flächensteifigkeit und Festigkeit erforderlich sind.The present invention relates in particular to the production of components for use in motor vehicles, for example seat parts, parts of a vehicle door or a door module, trim parts or body parts. The use of the invention is fundamentally but not limited to vehicle construction, but can be done anywhere where lightweight components are required with a high surface rigidity and strength.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The idea underlying the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:
Bei einem Organoblech
Organobleche
Organobleche
Bei dem in
Bei aus einem Organoblech
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem Aussparungen
Wie aus
Zwei Varianten für das Einbringen einer Aussparung
In einer zweiten Variante ist auch denkbar, Aussparungen
Zum lokalen Aufschmelzen der Matrix
Denkbar ist auch, die Matrix
Nach Einbringen der Aussparung
Dargestellt ist in
Das Anspritzen des zusätzlichen Kunststoffs sollte vorteilhafterweise bei (noch) geschmolzener oder zumindest warmer Matrix
Wie aus
In vorteilhafter Weise ist auch möglich, die oben beschriebenen Varianten miteinander zu kombinieren, d. h. zum einen Aussparungen
In einem weiteren Arbeitsschritt können anschließend auch weitere Teile angespritzt werden, indem das Organoblech
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können in der beschriebenen Weise grundsätzlich beliebig geformte Aussparungen durch Einschieben eines geeigneten Formteils in ein zumindest teilweise aufgeschmolzenes Organoblech eingeformt werden. Auf diese Weise können nicht nur runde Löcher, sondern beispielsweise auch Schlitze oder beliebige andere Öffnungen gebildet werden.The idea underlying the invention is not limited to the above-described embodiments. In particular, in the described manner basically any shaped recesses can be formed by inserting a suitable molding in an at least partially melted organo sheet. In this way, not only round holes, but also, for example, slots or any other openings can be formed.
Zwar ist die beschriebene Erfindung in vorteilhafter Weise zur Herstellung von Bauteilen für den Fahrzeugbau einsetzbar. Grundlegend ist die Erfindung aber nicht auf einen solchen Einsatz beschränkt, sondern kann auch in gänzlich anderen Gebieten Verwendung finden.Although the invention described is advantageously used for the production of components for vehicle construction. Basically, the invention is not limited to such use, but can also find use in entirely different areas.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Organoblechorganosheet
- 1010
- Fasergewebefiber fabric
- 101, 102101, 102
- Faserbahnfiber web
- 1111
- Matrixmatrix
- 1212
- Ringring
- 22
- Aussparungrecess
- 33
- Formteilmolding
- 3030
- Kopfhead
Claims (9)
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