DE102010053381A1

DE102010053381A1 - Organoblech zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen

Info

Publication number: DE102010053381A1
Application number: DE102010053381A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Beyl
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Beschrieben wird ein plattenförmiges und formstabiles Organoblech (20), welches als imprägniertes und mindestens teilweise konsolidiertes Faser-Matrix-Halbzeug mit einem thermoplastischen Kunststoff als Matrix-Material (22) und darin eingebetteten Verstärkungsfasern (21) ausgebildet ist. Zur besseren Verarbeitung in einem nachfolgenden Umform- und Spritzgießprozess wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Organoblech (20) eine Drahtstruktur (23) aufweist. Auf diese Weise bleibt das Organoblech (20) auch im erhitzten Zustand formstabil.

Description

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges und formstabiles Organoblech, welches als imprägniertes und mindestens teilweise konsolidiertes Faser-Matrix-Halbzeug mit einem thermoplastischen Kunststoff als Matrix-Material und darin eingebetteten Verstärkungsfasern ausgebildet ist.
Faser-Matrix-Halbzeuge sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik ebenso bekannt wie die Verarbeitung von derartigen Faser-Matrix-Halbzeugen zu einem fertigen Endprodukt. Die WO2009/019102A1 offenbart zum Beispiel die Verarbeitung von Faser-Matrix-Halbzeugen mittels Spritzgießtechnik zu einem fertigen Composite-Endprodukt mittels der sogenannten Wendeplattentechnik.
Eine besondere Ausführungsform von Faser-Matrix-Halbzeugen sind die sogenannten Organobleche. Dabei handelt es sich um ein flächiges Halbzeug, das aus einer oder mehreren Lagen eines Fasermaterials besteht, die mit einer thermoplastischen Matrix getränkt sind. Das Fasermaterial kann beispielsweise ein Gewebe aus geeigneten Verstärkungsfasern wie beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern sein. Als thermoplastische Matrix sind Polyamid und Polypropylen bekannt. Bei der Herstellung derartiger Organobleche wird das Fasermaterial mit Kunststoff imprägniert und durch Aufbringung von Druck und Wärme konsolidiert. Dabei erfolgt eine Verdichtung des mit Kunststoff getränkten Fasermaterials einschließlich der Entfernung von Lufteinschlüssen und etwaigen anderen gasförmigen Substanzen, insbesondere wenn mehrere Lagen von Gewebe zu einem Laminat mit schichtförmigem Aufbau zusammengesetzt werden. Nach der Abkühlung liegt ein formstabiles, plattenförmiges Organoblech vor, das zu Platten geeigneter Größe zugeschnitten werden kann. Das fertige Organoblech zeichnet sich durch seine Eigenstabilität aus, wie dies auch bei Stahlblechen der Fall ist. Im Unterschied zu Stahlblechen müssen Organobleche vor einer weiteren Formgebung einer Erwärmung unterzogen werden, um sie in gewissem Maße weich oder schlaff zu machen. Hierbei wird das Organoblech mittels einer geeigneten Wärmequelle, beispielsweise in einem Ofen, bis nahe an oder über den Schmelzpunkt des Thermoplasts erwärmt. Bei einer Kaltverformung würde die Thermoplast-Matrix nämlich zerbrechen und das Organoblech würde unbrauchbar werden.
Ein weiteres Faser-Matrix-Halbzeug in Form einer sogenannten Organofolie ist aus der DE 10 2008 048 334 A1 bekannt. Diese Organofolie ist ein flexibles Faser-Matrix-Halbzeug und kann im Unterschied zu einem Organoblech direkt zu einem fertigen formstabilen Endprodukt, d. h. dem faserverstärkten Kunststoff-Formteil, weiterverarbeitet werden. Der vorerwähnte Schritt der Erweichung durch Erwärmung fällt nicht an.
Sowohl Organobleche als auch Organofolien dienen der Herstellung von faserverstärken Kunststoff-Formteilen als Ersatz für metallische Strukturbauteile, beispielsweise in der Verkehrstechnik. Im Vergleich mit metallischen Strukturbauteilen weisen faserverstärkte Kunststoff-Formteile ein deutlich geringes Gewicht auf.
Aus der DE20100051U1 ist eine flexible Folie bekannt, die in ein formstabiles Folien-Endprodukt umgeformt werden kann, indem die flexible Folie eine Armierung aufweist, die aus hauptsächlich plastisch verformbaren, drahtförmigen oder flächigen Stabilisatoren besteht und die die anliegenden Folienbereiche in der jeweils eingestellten Form hält. Die Armierung erzeugt somit die Formstabilität des fertigen Endprodukts.
Im Unterschied zu den vorerwähnten Folien weisen die o. g. Organobleche nach Ihrer Erwärmung einen schlaffen Zustand auf, ähnlich wie ein feuchtes Tuch oder ein feuchter Lappen. Daher kann man auch sagen, dass das Organoblech im erwärmten Zustand lapprig ist. Im erwärmten bzw. heißen Zustand sind die Organobleche somit nicht mehr formstabil. Hingegen sind die Organobleche sowohl im Ausgangszustand als auch nach dem Umformen sowie gegebenenfalls nach dem Anspritzen von weiterem Kunststoffmaterial ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen oder Zusatzbestandteile von sich aus formstabil.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Organoblech anzugeben, das sich besser zu einem fertigen Endprodukt verarbeiten lässt. Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Kunststoff-Formteile unter Verwendung der erfindungsgemäßen Organobleche anzugeben.
Die Lösung der zuerst genannten Aufgabe erfolgt bei einem gattungsgemäßen Organoblech mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1. Die Lösung der zweitgenannten Aufgabe erfolgt durch Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 5 und 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen.
Dadurch, dass das an sich formstabile Organoblech zusätzlich eine Drahtstruktur aufweist, wird es beim Erwärmen oder Erhitzen nicht schlaff bzw. nicht lapprig, sondern behält seine Formstabilität. Dies erleichtert das automatisierte Einlegen und Positionieren des Organoblechs in einem Werkzeug, in dem das Organoblech verarbeitet werden soll. Außerdem kann die Faltenbildung bei einzelnen Drapierschritten im Werkzeug (z. B. durch Schieber im Werkzeug) definiert ablaufen. Dadurch ergibt sich insgesamt eine höhere Prozesssicherheit, was zu einer Reduzierung an Ausschuß-Formteilen führt. Durch die höhere Formstabilität des erfindungsgemäßen Organoblechs kann das automatisierte Einlegen in ein Werkzeug schneller erfolgen, wodurch die Zykluszeit reduziert wird. Darüberhinaus kann das Ende bzw. der Rand eines erfindungsgemäßen Organoblechs näher an den Rand im Spritzgießwerkeug gelegt werden, so dass der Faseranteil in dem umspritzten oder hinterspritzten fertigen Formteil erhöht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Organobleche liegt in der Möglichkeit, das Organoblech vor dem Einlegen in ein Spritzgießwerkzeug im warmen Zustand in einem gesonderten Tiefziehwerkzeug vorzuformen und im warmen, vorgeformten Zustand, gehalten durch die Formstabilität der Drähte, in das Spritzgießwerkzeug einzulegen. Das Organoblech kann nach dem Erhitzen aber auch ohne vorgeschalteten Vorformschritt direkt in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt werden. In diesem Fall wird das Organoblech in dem Spritzgießwerkzeug beim Zufahren der Formhälften umgeformt. Das so umgeformte Organoblech kann nachfolgend mit Kunststoffmaterial versehen werden, das in einem üblichen Spritzgießverfahren an das Organoblech angespritzt wird. Dabei kann das Organoblech auf einer Seite hinterspritzt werden oder es kann auch mehr oder weniger vollständig umspritzt werden. Gegebenenfalls kann das Organoblech zunächst in einem Tiefziehwerkzeug vorgeformt und nachfolgend zusätzlich in dem Spritzgießwerkzeug weiter umgeformt werden, bevor in einem nachfolgenden Spritzgießverfahren ein Kunststoffmaterial an das Organoblech angespritzt wird. Damit lassen sich höhere Umformungsgrade als bei einem einfachen Einlegeprozess realisieren. Nach dem Auskühlen und Aushärten hat das Organoblech wieder seine eigene Formstabilität erreicht.
Mittels der erfindungsgemäßen Organobleche können Geometrien von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen realisiert werden, die mittels der bisher bekannten Organobleche nicht oder nur eingeschränkt möglich sind.
Die Drahtstruktur kann aus Einzeldrähten bestehen, die in einer oder meheren Richtungen in dem Organblech liegen. Ebenso kann die Drahtstruktur als ein Drahtnetz ausgebildet sein. Gegebenfalls könnten Einzeldrähte und ein Drahtnetz auch zusammen in einem Organoblech vorgesehen sein. Die Drahtstruktur kann zwischen einzelnen Gewebelagen des Organoblechs eingelegt sein. Sie kann aber auch in die Gewebelagen eingewebt sein. Gegebenenfalls können die vorgenannten Maßnahmen auch miteinander kombiniert werden.
Die Drähte der Drahtstruktur sollten so steif bzw. dick sein, dass sie das Organoblech im erwärmten Zutand in Form halten, aber die Flexibilität und Bearbeitbarkeit (z. B. Fräsen, Stanzen, Schneiden) des Organoblechs nicht signifikant beeinträchtigen. Die Drähte können einen runden Querschnitt aufweisen; sie können aber auch band- oder streifenförmig ausgebildet sein.
Desweiteren ist erfindungsgemäß die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Organoblechs vorgesehen und zwar mit den Schritten:

(1) Erhitzen des Organoblechs,
(2) Einlegen des Organoblechs in ein Spritzgießwerkzeug,
(3) Zufahren des Spritzgießwerkzeugs, wobei das Organoblech umgeformt wird,
(4) Anspritzen von Kunststoffmaterial an das Organoblech,
(5) Abkühlenlassen,
(6) Entnahme des des faserverstärkten Kunststoff-Formteils.

Alternativ kann erfindungsgemäß die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Organoblechs mit den folgenden Schritten erfolgen:

(1) Erhitzen des Organoblechs,
(2) Einlegen des Organoblechs in ein Tiefziehwerkzeug,
(3) Zufahren des Tiefziehwerkzeugs, wobei des Organoblech umgeformt wird,
(4) Auffahren des Tiefziehwerkzeugs,
(5) Umsetzen des umgeformten Organoblechs in ein Spritzgießwerkzeug,
(6) Zufahren des Spritzgießwerkzeugs, wobei das Organoblech nicht weiter umgeformt wird,
(7) Anspritzen von Kunststoffmaterial an das Organoblech,
(8) Abkühlenlassen,
(9) Entnahme des faserverstärkten Kunststoff-Formteils.

Das Umformen in dem Schritt (3) des vorgenannten Verfahrens wird in dieser Anmeldung auch als Vorformen bezeichnet, weil dieser Schritt des Umformens erfolgt, bevor das Organoblech in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird. Das Organoblech wird also in einem in geeigneter Weise vorgeformten Zustand in das Spritzgießwerkzeug eingelegt.
Gegebenenfalls kann bei dem vorgenannten Verfahren in dem Schritt (6) ein weiteres Umformen des Organoblechs vorgesehen werden. In dem Tiefziehwerkzeug erfolgt also ein erster Umformvorgang (d. h. ein Vorformen) und in dem Spritzgießwerkzeug ein zweiter Umformvorgang.
Falls ein Spritzgießwerkzeug mit magnetischen Formeinsätzen oder Formbestandteilen verwendet wird, kann die Position des vorgeformten oder nicht vorgeformten Organoblechs im Spritzgießwerkzeug fixiert werden. Auf die in dem Organoblech vorhandene Drahtstruktur wirkt von den magnetischen Formeinsätzen oder Formbestandteilen eine anziehende Kraft aufgrund deren Magnetfeld und stellt so eine bessere Fixierung des Organoblechs beim Einlegen und Umformen sicher. Dadurch kann gegebenenfalls auf Fixierstifte im Spritzgießwerkzeug verzichtet werden.
Eine solche Fixierung des Organoblechs durch magnetische Formeinsätze oder Formbestandteile kann auch in dem Tiefziehwerkzeug vorgesehen werden.
Schießlich erfaßt die Erfindung auch ein faserverstärktes Kunststoff-Formteil, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Organoblechs hergestellt worden ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 näher beschrieben werden.
Die 1 zeigt schematisch ein Organoblech 1 gemäß dem Stand der Technik mit mehreren Gewebelagen 2, die in eine thermoplastische Matrix 3 eingebettet sind. Die Gewebestruktur soll durch die Andeutung von Faserabschnitten 8 zum Ausdruck gebracht werden. Das Organoblech 1 befindet sich in einem geeigneten Ofen 4, in dem es soweit erhitzt wird, bis die thermoplastische Matrix 3 an- bzw. aufgeschmolzen ist. Der Vorgang des Erhitzens soll mit den geschwungenen Pfeilen 6 angedeutet werden. Wird ein derart erhitztes Organoblech 1 zwischen zwei Formhälften 5a und 5b eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht (siehe 2) und mittels Fixierstiften 7 aufgehängt, hängt es schlaff oder lapprig zwischen den beiden Formhälften 5a und 5b, weil es in diesem erhitzten Zustand nicht formstabil ist. Dieser schlaffe bzw. lapprige Zustand soll mittels der geschwungenen bzw. wellenförmigen Darstellung des Organobleches 1 in der 2 veranschaulicht werden.
Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Organoblech 20 mit zwei Gewebelagen 21 in einer thermoplastischen Matrix 22 und einer dazwischen befindlichen Drahtstruktur 23. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Gewebelagen und mehr als eine Drahtstruktur in dem Organoblech 20 vorgesehen werden.
Die 4 zeigt ein Organoblech 20 in einem zerlegten Zustand, d. h. vor dem Einbringen der Drahtstruktur 23 zwischen zwei Gewebelagen 21. Im vorliegenden Fall ist die Drahstruktur als Drahtnetz 26 ausgebildet. Das fertige erfindungsgemäße Organoblech 20 entsteht, wenn die Gewebelagen 21 und das Drahtnetz 26 aufeinandergelegt und mit dem thermoplastischen Matrixmaterial 22 getränkt werden und nachfolgend diese Gesamtheit mehr oder weniger stark konsolidiert wird.
In der 5 ist eine Variante gezeigt, bei der die Drahtstruktur 23 in eine Gewebelage 21 eingewebt ist. Anstelle eines Drahtnetzes 26 können auch einzelne Drähte vorgesehen sein, die in einer oder meheren Richtungen in dem Organoblech 20 verteilt angeordnet sind.
Wird ein erfindungsgemäßes Organoblech 20 bis nahe an oder über die Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials 22 erhitzt, beispielsweise in einem Ofen wie in der 1, verliert es nicht seine Formstabilität. Wenn dieses erhitzte Organoblech 20 zwischen die Formhälften 5a und 5b eines Spritzgießwerkzeugs 5 eingelegt und an Fixierstiften 7 aufgehängt wird (siehe 6), behält es seine ebene Form bei. Dies soll durch die ebene Darstellung des Organoblechs 20 in der 6 veranschaulicht werden. Die Fixierstifte 7 können an der Formhälfte 5b – wie dargestellt – oder an der gegenüberliegenden Formhälfte 5a vorgesehen werden. Beim Zufahren des Spritzgießwerkzeugs 5 wird das Organoblech 20 umgeformt. Nachfolgend kann Kunststoffmaterial in das Spritzgießwerkzeug 5 eingespritzt werden, um das umgeformte Organoblech mit dem Kunststoffmaterial zu versehen.
Die 7 zeigt eine Variante, bei der das Organoblech 20 in einem separaten Tiefziehwerkzeug vorgeformt worden ist, so dass es in diesem vorgeformten Zustand zwischen den Formhälften 5a und 5b eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt ist. Diese Vorformung soll beispielhaft durch geknickte Bereiche 24 in dem Organoblech 20 veranschaulicht werden. Die Drahtstruktur in dem Organoblech 20 sorgt dafür, dass das Organoblech 20 auch im erhitzten Zustand den vorgeformten Zustand beibehält. Das derart vorgeformte Organoblech 20 kann beim Zufahren des Spritzgießwerkzeugs 5 einem weiteren Umformen unterzogen werden, bevor Kunststoffmaterial angespritzt wird. Es kann aber auch ohne weiteres Umformen unmittelbar mit dem Kunststoffmaterial versehen werden.
In einer weiteren Variante verfügt das Spritzgießwerkzeug 5 über magnetische Formeinsätze oder Formbestandteile 25, die im Zusammenwirken mit der Drahtstruktur 23 eine Lagefixierung des Organoblechs 20 bewirken. Die magnetischen Formeinsätze oder Formbestandteile 25 können in einer oder in beiden Formhälften 5a, 5b vorgesehen sein. Bei einer entsprechend starken magnetischen Fixierung des Organoblechs kann gegebenenfalls auch auf die Fixierstifte 7 verzichtet werden.
Bei dem weiteren Kunststoffmaterial, mit dem das Organoblech im Spritzgießwerkzeug versehen wird, kann es sich um das gleiche Kunststoffmaterial wie in der Matrix 3 handeln oder um ein anderes Kunststoffmaterial. Dieses weitere Kunststoffmaterial kann in dem Spritzgießwerkzeug 5 auf einer oder auf beiden Seiten des Organoblechs 20 angespritzt werden. In diesem Zusammenhang spricht man manchmal auch vom Hinterspritzen.
Bezugszeichenliste

1: Organoblech gemäß dem Stand der Technik
2: Gewebelagen
3: Matrixmaterial
4: Ofen
5: Spritzgießwerkzeug
5a, 5b: Formhälften des Spritzgießwerkzeugs 5
6: Heizung
7: Fixierstifte
20: Erfindungsgemäßes Organoblech
21: Gewebelagen
22: Matrixmaterial
23: Drahtstruktur
24: Knick
25: Magnetische Formeinsätze
26: Drahtnetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/019102 A1 [0002]
DE 102008048334 A1 [0004]
DE 20100051 U1 [0006]

Claims

Plattenförmiges und formstabiles Organoblech (20), welches als imprägniertes und mindestens teilweise konsolidiertes Faser-Matrix-Halbzeug mit einem thermoplastischen Kunststoff als Matrix-Material (22) und darin eingebetteten Verstärkungsfasern (21) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (20) eine Drahtstruktur (23) aufweist
Organoblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstruktur (20) aus einzelnen Drähten besteht, die in einer oder meheren Richtungen in dem Organblech (20) liegen.
Organoblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstruktur (23) als ein Drahtnetz (26) ausgebildet ist.
Organoblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstruktur (23) zwischen einzelnen Gewebelagen (21) des Organoblechs (20) eingelegt oder in eine oder mehrere Gewebelagen (21) eingewebt sind.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils unter Verwendung eines Organoblechs (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten: (1) Erhitzen des Organoblechs (20), (2) Einlegen des Organoblechs (20) in ein Spritzgießwerkzeug (5), (3) Zufahren des Spritzgießwerkzeugs (5), wobei das Organoblech (20) umgeformt wird, (4) Anspritzen von Kunststoffmaterial an das Organoblech (20), (5) Abkühlenlassen, und (6) Entnahme des faserverstärkten Kunststoff-Formteils.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils unter Verwendung eines Organoblechs (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten: (1) Erhitzen des Organoblechs (20), (2) Einlegen des Organoblechs (20) in ein Tiefziehwerkzeug, (3) Zufahren des Tiefziehwerkzeugs, wobei des Organoblech (20) umgeformt wird, (4) Auffahren des Tiefziehwerkzeugs, (5) Umsetzen des umgeformten Organoblechs (20) in ein Spritzgießwerkzeug (5), (6) Zufahren des Spritzgießwerkzeugs (5), wobei das Organoblech (20) nicht weiter umgeformt wird, (7) Anspritzen von Kunststoffmaterial an das Organoblech (20), (8) Abkühlenlassen, und (9) Entnahme des faserverstärkten Kunststoff-Formteils.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (6) das Organoblech (20) weiter umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzgießwerkzeug (5) und/oder ein Tiefziehwerkzeug mit magnetischen Formeinsätzen (25) oder Formbestandteilen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (20) soweit erhitzt wird, bis das Matrix-Material (22) weich geworden ist, vorzugsweise bis nahe an die Schmelztemperatur oder bis über die Schmelztemperatur des Matrix-Materials (22).
Faserverstärktes Kunststoff-Formteil, hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9.