DE102010041439A1

DE102010041439A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils

Info

Publication number: DE102010041439A1
Application number: DE201010041439
Authority: DE
Inventors: Martin Lobenz; Falko Schmidt; Horst Mai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: DE102010041439B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, mit den Schritten: • Bereitstellen eines aus Fasermaterial bestehenden Vorformlings oder eines aus mehreren solchen Vorformlingen bestehenden Vorformlingverbunds, • Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds auf bzw. an bzw. in einem Spritzwerkzeug, • Umspritzen bzw. Durchtränken des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds mit einem aushärtbaren Kunststoff, • Aushärten des Kunststoffs, wobei in dem Vorformling bzw. dem Vorformlingverbund mindestens ein weibliches Positionierungsmerkmal vorhanden ist oder erzeugt wird, das beim Anordnen bzw. Positionieren des Vorformlings auf ein von dem Spritzwerkzeug abstehendes männliches Positionierungselement aufgebracht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Karosserieteile von Fahrzeugen können anstatt als Blechteile auch als faserverstärkte Kunststoffteile dargestellt werden. Zur Verstärkung derartiger Kunststoffteile werden üblicherweise mehrlagige „Fasermatten” verwendet, die z. B. aus Kunststofffasern, Glasfasern und/oder anderen Materialien, wie z. B. Metalldrähten hergestellt sein können. Bei den Strukturen der einzelnen Lagen kann es sich beispielsweise um Gewebe, Gelege, Gewirke o. ä. handeln.
Zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils wird zunächst die zu verwendende ”Fasermatte” in eine dem herzustellenden Kunststoffbauteil ähnelnde Form umgeformt. Man spricht dabei von einem sogenannten ”Vorformling” bzw. ”Preform”. Den Vorgang des Umformens bezeichnet man als „Vorformen” oder „Preforming”.
Für die Herstellung komplexerer Kunststoffbauteile werden mehrere derartige Vorformlinge benötigt, die in ihren Überlappungsbereichen zu einem „Vorformlingverbund” miteinander verbunden werden. Eine Verbindung. der einzelnen Vorformlinge ist erforderlich, um eine präzise Positionierung des ”Vorformlingverbunds” im Injektionswerkzeug zu erreichen. Ferner wird dadurch verhindert, dass beim Injizieren flüssigen Harzes in das Werkzeug die einander überlappenden Bereiche der Vorformlinge relativ zueinander verrutschen.
Im Flugzeugbau werden die einzelnen Vorformlinge eines Vorformlingverbunds üblicherweise miteinander vernäht, was sehr arbeitsaufwändig ist. Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 010 292 (welche die Herstellung von Fahrzeugteilen beschreibt) ist bekannt, die Vorformlinge durch Klammerelemente „zusammenzutackern”. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils zu schaffen, das in einfacher Weise eine möglichst exakte Positionierung eines Vorformlings während des Fertigungsprozesses ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, bei dem mindestens ein aus Fasermaterial bestehender Vorformling oder ein aus mehreren solchen Vorformlingen bestehender Vorformlingverbund verwendet wird. Bei dem für den Vorformling bzw. für die Vorformlinge verwendeten Fasermaterial kann es sich beispielsweise um mattenartige Strukturen handeln, die aus einer Lage oder aus mehreren miteinander mehr oder weniger fest verbundenen Lagen bestehen können. Die einzelnen Lagen können die Struktur eines Gewebes, eines Gewirks, eines Geleges o. ä. haben.
Als Fasermaterial können beispielsweise Kohlefasern und/oder Glasfasern, Metalldrähte o. ä. verwendet werden. Strukturen, die aus Metalldrähten bestehen, werden beispielsweise für die Herstellung von Kunststoffteilen verwendet, die eine gewisse „Abschirmwirkung” gegenüber elektromagnetischen Wellen haben müssen.
Aus der Fasermatte bzw. aus den Fasermatten werden in entsprechenden Umformwerkzeugen, die aus mindestens einem Oberwerkzeug und mindestens einem Unterwerkzeug bestehen, Vorformlinge gepresst, deren Form der Form des herzustellenden Kunststoffbauteils bzw. einem Abschnitt des herzustellenden Kunststoffbauteils ähnelt.
Sofern mit einem aus mehreren Vorformlingen bestehenden Vorformlingverbund gearbeitet wird, können die einzelnen Vorformlinge relativ zueinander auf einer ”Vorkonfektioniereinrichtung” angeordnet und relativ zueinander positioniert werden. In einem weiteren Schritt werden die Vorformlinge zu dem Vorformlingverbund miteinander verbunden. Das Verbinden kann z. B. durch heftklammerartige Elemente (d. h. durch Tackern) und/oder durch Verkleben und/oder durch Vernähen und/oder durch andere Verbindungstechniken, wie z. B. Ultraschallschweißen erfolgen.
Der Vorformling bzw. der Vorformlingverbund wird dann in einem „Spritzwerkzeug” mit einem aushärtbaren Kunststoff umspritzt bzw. durchtränkt. Der Begriff „Spritzwerkzeug” ist äußerst breit auszulegen. Er umfasst alle Werkzeuge, insbesondere sogenannte „Rapid-Transfer-Molding-Werkzeuge”, die eine Werkzeugkavität aufweisen, die zur Aufnahme eines Vorformlings bzw. eines Vorformlingverbunds geeignet ist, der in einen in die Werkzeugkavität einzubringenden flüssigen bzw. zähflüssigen, aushärtbaren Kunststoff einbettbar ist. Entsprechend breit ist der Begriff „spritzen” zu interpretieren. Der Begriff „spritzen” umfasst alle Arten des Einbringens flüssigen bzw. zähflüssigen Kunststoffs in die Werkzeugkavität. Als Kunststoff kann insbesondere ein Kunstharz bzw. eine Kunstharzlösung verwendet werden.
Nach dem Umspritzen bzw. Durchtränken wird der Kunststoff in dem Spritzwerkzeug ausgehärtet, wobei das Aushärten durch Wärmezufuhr beschleunigt werden kann.
Der Kern der Erfindung betrifft das Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds. Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass in dem Vorformling bzw. in dem Vorformlingverbund mindestens ein als Positionierungshilfe vorgesehenes weibliches Positionierungsmerkmal erzeugt wird, das beim Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds auf ein zugeordnetes von dem Spritzwerkzeug abstehendes männliches Positionierungselement aufgebracht wird. Sofern an dem Vorformling bzw. Vorformlingverbund. mehrere weibliche Positionierungsmerkmale vorgesehen sind, sind an dem Spritzwerkzeug eine entsprechende Anzahl männlicher Positionierungselemente vorgesehen. Vorzugsweise ist jedem weiblichen Positionierungsmerkmal genau ein männliches Positionierungselement zugeordnet. Das mindestens eine männliche Positionierungselement befindet sich bei geschlossenem Spritzwerkzeug vorzugsweise innerhalb der Werkzeugkavität.
Der Begriff „weibliches Positionierungsmerkmal” ist im Sinne eines „Durchgangs” (z. B. Loch, Schlitz, Ausnehmung etc.) zu interpretieren. Das weibliche Positionierungsmerkmal kann z. B. durch Schlitzen bzw. Stanzen des Vorformlings an einer entsprechenden Stelle erzeugt werden. Versuche haben gezeigt, dass vor allem Kreuzschlitzungen sehr einfach herstellbar und gut handbar sind und darüber hinaus eine hohe Positionierungsgenauigkeit ermöglichen. Es sei ausdrücklich erwähnt, dass das mindestens eine weibliche Positionierungsmerkmal nicht notwendigerweise nach Erzeugen des Vorformlings erzeugt werden muss. Prinzipiell könnte auch bereits im Ausgangsmaterial, d. h. in der zunächst noch unverformten Fasermatte ein weibliches Positionierungsmerkmal hergestellt werden.
Der Begriff „männliches Positionierungselement” ist im Sinne eines „abstehenden Elements” zu interpretieren, das z. B. eine zapfenähnliche Form, eine finnenähnliche Form oder eine in anderer Weise gestaltete Form haben kann. Das mindestens eine männliche Positionierungselement kann in einer Draufsicht gesehen z. B. ähnlich einem Fadenkreuz ausgebildet sein, mit zwei sich fadenkreuzartig kreuzenden Flächen, die von dem Spritzwerkzeug abstehen. Es ist von Vorteil, wenn das männliche Positionierungselement so gestaltet ist, dass es keine scharten Kanten oder Ecken aufweist, an denen sich der Vorformling bzw. der Vorformlingverbund verhaken könnte. Günstig ist es, wenn das mindestens eine männliche Positionierungselement kappen- bzw. kuppenartig gerundet ist.
Nach dem Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds auf bzw. an bzw. in dem Spritzwerkzeug erfolgt das Umspritzen bzw. Durchtränken mittels des Spritzwerkzeugs.
Das Spritzwerkzeug weist mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare Werkzeughälften (z. B. ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug) auf. Das mindestens eine männliche Positionierungselement kann an einer der Werkzeughälften, z. B. am Unterwerkzeug, vorgesehen sein. Das mindestens eine männliche Positionierungselement des Spritzwerkzeugs kann verschieblich an dem Spritzwerkzeug bzw. der betreffenden Werkzeughälfte angeordnet sein. Das männliche Positionierungselement kann z. B. mittels einer Federeinrichtung in eine ausgefahrene Stellung vorgespannt sein, so dass es bei geöffnetem Spritzwerkzeug von dem Werkzeug absteht. Das männliche Positionierungselement fungiert dabei als ”Gegenlager” zum Aufstecken des zugeordneten weiblichen Positionierungsmerkmals und somit zum Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds.
Beim Zusammenfahren des Spritzwerkzeugs bzw. der Spritzwerkzeughälften wird das männliche Positionierungselement durch die Schließkraft des Werkzeugs entgegen der von der Federeinrichtung ausgeübten Vorspannkraft in eine versenkte Stellung verschoben. Anschließend erfolgt das Einspritzen eines flüssigen, aushärtbaren Kunststoffs.
Sofern mit einem Vorformlingverbund gearbeitet wird und dieser auf einer separaten Vorkonfektionierungseinrichtung durch Verbinden mehrerer Vorformlinge hergestellt wird, kann bzw. können auch an der Vorkonfektionierungseinrichtung ein männliches Positionierungselement oder mehrere männliche Positionierungselemente als Positinierungs- und Ausrichthilfe(n) vorgesehen sein, auf das bzw. auf die das weibleiche Positionierungsmerkmal bzw. die weiblichen Positionierungsmerkmale der einzelnen. Vorformlinge aufgebracht wird bzw. werden. Nach dem Anordnen und Ausrichten der einzelnen Vorformlinge relativ zueinander können diese durch geeignete Verbindungstechniken (s. o.) miteinander verbunden werden.
Anschließend kann der Vorformlingverbund von der Vorkonfektionierungseinrichtung abgenommen und in der oben beschriebenen Weise in geeignetes Spritzwerkzeug eingebracht bzw. an einem geeigneten Spritzwerkzeug positioniert werden.
Denkbar ist aber auch, auf eine separate Vorkonfektionierungseinrichtung zu verzichten und den Vorformlingverbund in dem Spritzwerkzeug herzustellen, wobei bei geöffneten Spritzwerkzeug die einzelnen Vorformlinge in das Spritzwerkzeug eingebracht, zu dem Vorformlingverbund miteinander verbunden und anschließend bei geschlossenem Spritzwerkzeug mit Kunststoff umspritzt bzw. durchtränkt werden.
Dass die Vorkonfektionierungseinrichtung durch das Spritzwerkzeug an sich, z. B. durch eine Unterwerkzeug des Spritzwerkzeugs, gebildet ist.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erreicht:

– Eindeutige X-Y-Positionierung des bzw. der Preforms im RTM-Prozess durch geometrische Zwangsausrichtung des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds;
– Die Preforms sind verschiebefest, d. h. ein Nachrutschen bzw. Abgleiten der Preforms im Spritzwerkzeug wird vermieden.
– Die Positionierungsmethode ist einfach, zuverlässig und kostengünstig.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1–3 zeigen das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung.
1 zeigt ein Trägerelement 1, bei dem es sich beispielsweise um eine Werkzeughälfte eines Spritzwerkzeugs (RTM-Werkzeug) oder um einen Teil einer Vorkonfektionierungseinrichtung handeln kann, die dazu vorgesehen ist, zwei oder mehrere vorgeformte Vorformlinge aus Fasermaterial aufzunehmen, um diese relativ zueinander anzuordnen, zu positionieren und miteinander zu verbinden.
Auf dem Trägerelement 1 sind hier exemplarisch zwei von dem Trägerelement nach oben abstehende männliche Positionierungselemente 2, 3 vorgesehen, die in einer Draufsicht die Form von Fadenkreuzen haben. In einer Seitenansicht (vgl. 2) ist ersichtlich, dass die einander kreuzenden Flächen kuppen- bzw. kappenartig gerundet sind, um beim Aufstecken eines Vorformlings bzw. eines Vorformlingverbunds ein Verhaken der männlichen Positionierungselemente mit dem Vorformlingverbund zu vermeiden.
3 zeigt ein Bild, bei dem auf ein Trägerelement 1, wie es in den 1, 2 dargestellt ist, eine Fasermatte bzw. ein aus einem mattenartigen Material hergestellter Vorformling bzw. Vorformlingverbund 4 aufgesteckt ist. Der Vorformling bzw. Vorformlingverbund 4 weist eine Schlitzung auf, welche ein ”weibliches Positionierungsmerkmal” bildet. Der Vorformling bzw. Vorformlingverbund 4 ist mit dem weiblichen Positionierungsmerkmal auf das männliche Positionierungselement 3 aufgesteckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009010292 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, mit den Schritten: • Bereitstellen eines aus Fasermaterial bestehenden Vorformlings (4) oder eines aus mehreren solchen Vorformlingen bestehenden Vorformlingverbunds, • Anordnen und Positionieren des Vorformlings bzw. des Vorformlingverbunds auf bzw. an bzw. in einem Spritzwerkzeug, • Umspritzen bzw. Durchtränken des Vorformlings (4) bzw. des Vorformlingverbunds mit einem aushärtbaren Kunststoff, • Aushärten des Kunststoffs, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorformling (4) bzw. dem Vorformlingverbund mindestens ein weibliches Positionierungsmerkmal vorhanden ist oder erzeugt wird, das beim Anordnen bzw. Positionieren des Vorformlings (4) auf ein von dem Spritzwerkzeug abstehendes männliches Positionierungselement (2, 3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformlinge (4) eines herzustellenden Vorformlingverbunds relativ zueinander auf einer Vorkonfektionierungseinrichtung (1) angeordnet und positioniert werden, wobei das mindestens eine weibliches Positionierungsmerkmal auf ein von der Vorkonfektionierungseinrichtung (1) abstehendes männliches Positionierungselement (2, 3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das weibliche Positionierungsmerkmal durch Schlitzen • des Fasermaterials, aus dem der Vorformling (4) bzw. der Vorformlingverbund hergestellt wird, oder • durch Schlitzen des Vorformlings (4) oder • durch Schlitzen des Vorformlingverbunds an einer entsprechenden Stelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weibliche Positionierungsmerkmal durch Schlitzen entsprechend einem Kreuzschlitz erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlitzen durch Stanzen mittels eines Stanzmessers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das männliche Positionierungselement (2, 3) ein zapfen- oder finnenartiges Element ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das männliche Positionierungselement (2, 3) zwei sich fadenkreuzartig kreuzende Flächen aufweist, die von dem Spritzwerkzeug bzw. von der Vorkonfektionierungseinrichtung (1) abstehen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass männliche Positionierungselement im Bereich seiner Oberseite gerundet ist, um ein Verhaken des bzw. der Vorformlinge (4) bzw. des Vorformlingverbunds zu vermeiden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzwerkzeug mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare Werkzeughälften aufweist, wobei eine der Werkzeughälften (1) ein als Positionierungshilfe vorgesehenes männliches Positionierungselement (2, 3) aufweist, auf welches das mindestens eine weibliche Positionierungsmerkmal aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine männliche Positionierungselement (2, 3) verschieblich, insbesondere vorgespannt verschieblich in bzw. an der betreffenden Werkzeughälfte (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das männliche Positionierungselement (2, 3) beim Schließen des Spritzwerkzeugs entgegen der Vorspannkraft in dem Spritzwerkzeug versenkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformlinge (4) durch Zusammentackern mittels heftklammerartiger Elements zu dem Vorformlingverbund miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aushärtbarer Kunststoff eine harzartige Flüssigkeit verwendet wird.