DE102010038436B4

DE102010038436B4 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils

Info

Publication number: DE102010038436B4
Application number: DE102010038436.4A
Authority: DE
Inventors: Joerg Theinert; Falko Schmidt; Horst Mai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: DE102010038436A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, mit folgenden Schritten:• Bereitstellen eines Presswerkzeugs (1), das zwei durch ein Oberwerkzeug (2) und ein Unterwerkzeug (3) gebildete Werkzeughälften aufweist,• Auseinanderfahren der Werkzeughälften (2, 3),• Aufspannen einer aus Fasermaterial bestehenden Fasermatte, in einem Bereich außerhalb der Werkzeughälften (2, 3) mittels einer Spanneinrichtung (6),• das Unterwerkzeug in Bezug auf die Richtung (4) der Schwerkraft unterhalb des Oberwerkzeugs (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:• Abstützen der aufgespannten Fasermatte (5) an mindestens einer Stelle (10) mittels eines aus dem Unterwerkzeug (3) in Richtung des Oberwerkzeugs (2) ausgefahrenen Unterstützungselements (8), um ein Durchhängen der Fasermatte (5) zu begrenzen,• Zusammenfahren der Werkzeughälften, wobei während des Zusammenfahrens das mindestens eine Unterstützungselement in das Unterwerkzeug eingefahren wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 10 2007 037 680 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählen die DE 10 2005 060 147 A1 sowie die DE 199 22 799 A1 .
Moderne Fahrzeuge weisen bereits heute zahlreiche Kunststoffteile auf, die durch Fasermaterialien wie z. B. Kohle- oder Glasfasern, verstärkt sind. Die Fasermaterialien können in dem Kunststoffmaterial feindispergiert oder in Form von Fasermatten in das Innere des Kunststoffteils integriert sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines durch eine Fasermatte verstärktes Kunststoffteil zu schaffen, bei eine Beschädigung der Fasermatte möglichst vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils wird mit einem Presswerkzeug gearbeitet, das zwei durch mindestens ein Oberwerkzeug und durch mindestens ein Unterwerkzeug gebildete Werkzeughälften aufweist. Zu Beginn eines Fertigungszyklus' werden die Werkzeughälften auseinandergefahren. Anschließend wird im Bereich zwischen den Werkzeughälften ein flächiges Fasermaterial, das im folgenden als „Fasermatte“ bezeichnet wird, aufgespannt. Der Begriff „Aufspannen“ ist so zu verstehen, dass die Fasermatte einen gewissen Durchhang aufweisen kann. Sie muss also nicht absolut horizontal bzw. absolut parallel zur Trennebene der Werkzeughälften aufgespannt sein. Somit kann mit relativ geringen Spannkräften gearbeitet werden, was die Gefahr von Beschädigungen der Fasermatte oder einzelner Fasern der Fasermatte minimiert.
Es ist jedoch wichtig, dass die Fasermatte nicht zu weit durchhängt, da ansonsten - je nach Geometrie des herzustellenden Kunststoffteils bzw. der je nach Innengeometrie der Werkzeughälften - es beim Zusammenfahren der Werkzeughälften zu Faltenbildung kommen könnte. Ein weiterer Grund, warum die Fasermatte nicht zu weit durchhängen sollte, besteht darin, dass die Fasermatte ansonsten auf Kantenbereichen des Unterwerkzeugs zu liegen kommen könnte, was zum Bruch einzelner Fasern führen könnte. Um Missverständnissen vorzubeugen, sei erwähnt, dass es relativ unproblematisch ist, wenn das Fasermaterial auf gerundeten Bereichen des Unterwerkzeugs aufliegt. Würde das Fasermaterial hingegen auf relativ scharfkantigen Bereichen, d. h. Rundungen mit sehr kleinen Radien aufliegen, so könnten aus dem Eigengewicht der Fasermatte heraus hinreichende Biegekräfte entstehen, welche zum Bruch einzelner Fasern bzw. zumindest zur Beschädigung der Fasermatte führen könnten.
Gemäß der Erfindung wird die Fasermatte deshalb an mindestens einer Stelle mittels mindestens eines aus dem Unterwerkzeug in Richtung des Oberwerkzeugs ausgefahrenen Unterstützungselements abgestützt, wodurch der Durchhang der Fasermatte in Bereichen, die in dem oben beschriebenen Sinne kritisch sind, begrenzt wird. Mindestens ein Bereich der Fasermatte liegt somit bei geöffnetem Presswerkzeug auf dem Unterstützungselement auf, wodurch Beschädigungen der Fasermatte bzw. einzelner Fasern vermieden werden. Es versteht sich von selbst, dass, je nach Geometrie der Formkavität des Unterwerkzeugs, mehrere derartige Unterstützungselemente erforderlich und vorgesehen sein können.
Wenn die Fasermatte zwischen den Werkzeughälften aufgespannt und in kritischen Bereichen durch ein oder mehrere Unterstützungselemente unterstützt ist, werden die Werkzeughälften des Presswerkzeugs allmählich geschlossen bzw. zusammengefahren. Während des Schließens bzw. Zusammenfahrens wird die Fasermatte entsprechend der Innengeometrie der Werkzeughälften umgeformt. Dabei wird während des Zusammenfahrens das mindestens eine in dem Unterwerkzeug vorgesehene Unterstützungselement allmählich in das Unterwerkzeug eingefahren. Bei vollständig geschlossenem Presswerkzeug ist das mindestens eine Unterstützungselement in einer zugeordneten Kavität des Unterwerkzeugs versenkt. Eine Oberseite des Unterstützungselements, auf der während des Abstützens die Fasermatte von oben her aufliegt, bildet im eingefahrenen Zustand des Unterstützungselements eine im wesentlichen glatte Fläche mit der sich an die Oberseite des Unterstützungselements anschließenden Oberseite des Unterwerkzeugs. Anders ausgedrückt weist die Formkavität des Unterwerkzeugs mindestens einen Bereich auf, der durch ein schieberartiges, in Richtung des Oberwerkzeugs verfahrbares Unterstützungselement gebildet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Fasermatte bereits zu Beginn des Aufspannens mittels des mindestens einen Unterstützungselements abgestützt. Die Fasermatte wird dabei mittels einer außerhalb der Werkzeughälften befindlichen Spanneinrichtung in einem Bereich zwischen den geöffneten Werkzeughälften aufgespannt. Bei der Spanneinrichtung kann es sich beispielsweise um einen in Randbereichen der Werkzeughälften vorgesehenen Spannrahmen handeln. Die Fasermatte wird vor Beginn der Umformung, d. h. vor dem Beginn des Schließens des Presswerkzeugs durch den Spannrahmen eingespannt und durch das mindestens eine Unterstützungselement hochgehalten. Die Fasermatte wird dabei vorzugsweise im Wesentlichen in der Horizontalen gehalten. Beim Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften versenken sich auch die Unterstützungselemente.
Ein Presswerkzeug gemäß der Erfindung weist somit ein Unterwerkzeug auf, bei dem in kritischen Bereichen, d. h. in Bereichen, in denen z. B. relativ scharfe Kanten vorgesehen sind, Unterstützungselemente vorgesehen sind, die als „Entlaster“ der Fasermatte fungieren. Bei geöffnetem Presswerkzeug sind die Materialentlaster ausgefahren, d. h. sie stehen in Richtung des Oberzeugs gesehen aus dem Unterwerkzeug hervor. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fasermatte nicht auf scharfen Kanten des Unterwerkzeugs zu liegen kommt. Eine Beschädigung der Fasermatte bzw. einzelner Fasern während des Umformprozesses wird somit vermieden. Während des Schließens des Presswerkzeugs werden die Materialentlaster bzw. Unterstützungselemente in das Unterwerkzeug eingefahren und die Fasermatte auch im Bereich der „kritischen Bereiche“ des Unterwerkzeugs verformt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das mindestens eine Unterstützungselement - von einem Mittenbereich des Presswerkzeugs aus gesehen

- in einem dem Mittenbereich zugewandten Bereich in Bezug auf eine Kante des Unterwerkzeugs angeordnet, um zu verhindern, dass die Fasermatte während des Aufspannens auf der Kante aufliegt bzw. um die Kante gebogen wird.

Als Fasermatte kann eine z. B. aus Kohlefasern und/oder Glasfasern bestehende Matte oder eine Kohlefasern und/oder Glasfasern enthaltende Matte verwendet werden. Bei der Matte kann es sich z. B. um ein Gewebe, ein Gelege, ein Gewirk um eine andere Struktur handeln. Insbesondere kann es sich um eine aus mehreren Faserlagen bestehende Fasermatte handeln. Vorzugsweise wird eine Fasermatte verwendet, in der ein Klebstoff feindispergiert ist oder auf die Klebstoff aufgebracht ist.
Wenn die Werkzeughälften teilweise bzw. vollständig geschlossen sind, wird flüssiges bzw. zähflüssiges Kunststoffmaterial in das teilweise oder vollständig geschlossene Presswerkzeug eingebracht. Das Presswerkzeug wird dabei beheizt, z. B. auf eine Temperatur von ca. 60°C, was zum Vernetzen zum zumindest teilweisen Aushärten des Kunststoffmaterials führt.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 das Grundprinzip eines herkömmlichen Presswerkzeugs; und
2 ein Unterwerkzeug eines Presswerkzeugs gemäß der Erfindung mit ausgefahrenem Unterstützungselement.

1 zeigt ein Presswerkzeug 1 zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils. Das Presswerkzeug 1 weist ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3 auf. Das Presswerkzeug ist üblicherweise so aufgestellt, dass das Oberwerkzeug 2 in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, die hier mit einem Pfeil 4 angedeutet ist, oberhalb des Unterwerkzeugs 3 angeordnet ist. Zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, das mittels einer in das herzustellende Teil integrierten Fasermatte 5 verstärkt ist, ist es erforderlich, die Fasermatte 5 im Bereich zwischen den geöffneten Werkzeughälften 2, 3 aufzuspannen. Das Aufspannen kann beispielsweise mittels eines Spannrahmens 6 erfolgen, der in einem Randbereich außerhalb der Werkzeughälften 2, 3 angeordnet ist.
Bei der in 1 gezeigten Darstellung ist die Fasermatte 5 nur sehr wenig gespannt und weist dementsprechend einen relativ starken Durchhang auf.
Bei Kunststoffteilen mit scharfkantigen Ecken sowie bei Kunststoffteilen mit scharfen Umformkanten kommt es bei einem großen Höhensatz zu großen Spannungen in der Fasermatte. Dabei kann die Orientierung der einzelnen Fasern der Fasermatte verändert werden oder es kann sogar zu Beschädigungen einzelner Fasern der Fasermatte kommen, was nicht akzeptabel ist. Bei der in 1 gezeigten Anordnung würde die Fasermatte 5 z. B. im Bereich der Kante 7 des Unterwerkzeugs 3 über die Kante 7 gezogen werden, was zu Beschädigungen einzelner Fasern oder größerer Bereiche der Fasermatte führen könnte.
2 zeigt ein Unterwerkzeug 3 eines hier nicht näher dargestellten Presswerkzeugs gemäß der Erfindung. Das Unterwerkzeug 3 ist in einem Teilbereich durch ein Unterstützungselement 8 gebildet, das z. B. über eine oder mehrere Kolbenstangen 9 in Richtung des zum Oberwerkzeug 2 weisenden Pfeils 10 ausfahrbar ist. Beim Aufspannen der Fasermatte 5, d. h. vor dem Befüllen des Presswerkzeugs mit Kunststoffmaterial, ist das Unterstützungselement 8 nach oben ausgefahren. Die Fasermatte 5 liegt in einem Bereich auf dem Unterstützungselement 8 auf, wodurch bei einer vergleichsweise geringen Spannkraft, mit der die Fasermatte 5 in dem Spannrahmen 6 eingespannt ist, erreicht wird, dass die Fasermatte 5 sich in einer im Wesentlichen horizontalen Position befindet und nur einen relativ geringen Durchhang aufweist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, mit folgenden Schritten: • Bereitstellen eines Presswerkzeugs (1), das zwei durch ein Oberwerkzeug (2) und ein Unterwerkzeug (3) gebildete Werkzeughälften aufweist, • Auseinanderfahren der Werkzeughälften (2, 3), • Aufspannen einer aus Fasermaterial bestehenden Fasermatte, in einem Bereich außerhalb der Werkzeughälften (2, 3) mittels einer Spanneinrichtung (6), • das Unterwerkzeug in Bezug auf die Richtung (4) der Schwerkraft unterhalb des Oberwerkzeugs (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: • Abstützen der aufgespannten Fasermatte (5) an mindestens einer Stelle (10) mittels eines aus dem Unterwerkzeug (3) in Richtung des Oberwerkzeugs (2) ausgefahrenen Unterstützungselements (8), um ein Durchhängen der Fasermatte (5) zu begrenzen, • Zusammenfahren der Werkzeughälften, wobei während des Zusammenfahrens das mindestens eine Unterstützungselement in das Unterwerkzeug eingefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermatte (5) bereits zu Beginn des Aufspannens mittels des mindestens einen Unterstützungselements (8) abgestützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Unterstützungselement (8) nach einem Schließen des Presswerkzeugs so in dem Unterwerkzeug (3) versenkt ist, dass eine Oberseite des Unterstützungselements (8), die während des Abstützens von unten her an der Fasermatte (5) anliegt, eine im wesentlichen glatte Fläche mit der sich an die Oberseite des Unterstützungselements (8) anschließenden Oberseite des Unterwerkzeugs (3) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Mittenbereich des Presswerkzeugs (1) aus gesehen, das mindestens eine Unterstützungselement (8) in einem dem Mittenbereich zugewandten Bereich in Bezug auf eine Kante (7) des Unterwerkzeugs (3) angeordnet ist, um zu verhindern, dass die Fasermatte während des Aufspannens auf der Kante (7) aufliegt bzw. um die Kante (7) gebogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermatte eine Kohlefasern und/oder Glasfasern enthaltende Matte (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges bzw. zähflüssiges Kunststoffmaterial in das teilweise oder vollständig geschlossene Presswerkzeug (1) eingebracht wird, wobei die Werkzeughälften teilweise bzw. vollständig geschlossen gehalten werden, bis das Kunststoffmaterial vernetzt bzw. zumindest teilweise ausgehärtet ist.