DE102012204036A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils - Google Patents

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Bernd Meier
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (2), wobei – in einem ersten Schritt (S1) ein Gewebeschlauch (3) in einer Kontur eines Werkzeugs (1.1) angeordnet und anschließend das Werkzeug (1.1) geschlossen wird, – in einem zweiten Schritt (S2) eine Schmelze (5) in den in dem geschlossenen Werkzeug (1.1) angeordneten Gewebeschlauch (3) injiziert wird, und – in einem dritten Schritt (S3) ein Fluid (6) in den Gewebeschlauch (3) eingebracht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Strukturbauteils (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Strukturbauteile aus Faserverbundstrukturen, z. B. sogenannte Organobleche, sind endlosfaserverstärkte Thermoplastplatten und im Stand der Technik z. B. zur Herstellung von Sitzlehnenrückwänden bekannt. Beispielsweise wird ein Organoblech in einem Werkzeug entsprechend umgeformt und anschließend mit Funktionselementen wie z. B. Rippen versehen, welche vorzugsweise aufgespritzt werden. Zur Herstellung von Strukturbauteilen in Form von Hohlkörpern ist das sogenannte Fit-Hybrid Verfahren bekannt, mittels welchem das Umformen eines Organoblechs und ein gleichzeitiges Spritzgießen in einem Verarbeitungsschritt möglich sind. Üblicherweise werden die Profile mittels eines nachträglichen Klebeprozesses geschlossen.
  • Dazu offenbart die DE 197 47 021 B4 ein Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper, wobei beliebige Schlauchgeflechte ein- oder mehrlagig durch Verwendung von Vorrichtungen so in ein Spritzgießwerkzeug positioniert und fixiert werden, dass bei der Injektion der Kunststoffschmelze in die Geflechte, diese a) von innen heraus von der Kunststoffschmelze durchströmt werden und so diese Geflechte vollständig in Kunststoff eingebettet werden und anschließend durch ein beliebiges Verfahren der Gasinjektionstechnik ein Hohlraum erzeugt wird oder dass durch die Verwendung entsprechend dichter Geflechte, diese b) nicht von der Kunststoffschmelze durchströmt werden, sondern durch die Schmelzeinjektion und den Schmelzenachdruck so an die Werkzeugwände angelegt werden, dass diese Geflechte die Außenhaut des Formteils bilden und anschließend durch ein beliebiges Verfahren der Gasinjektionstechnik ein Hohlraum erzeugt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes und insbesondere kostengünstigeres Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils anzugeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils wird erfindungsgemäß in einem ersten Schritt ein Gewebeschlauch in einer Kontur eines Werkzeugs angeordnet und anschließend das Werkzeug geschlossen, weiterhin wird in einem zweiten Schritt eine Schmelze in den in dem geschlossenen Werkzeug angeordneten Gewebeschlauch injiziert und in einem dritten Schritt ein Fluid in den Gewebeschlauch eingeführt. Die Schmelze ist bevorzugt ein flüssiger Kunststoff mit einer entsprechend über dessen Schmelzpunkt liegenden Temperatur.
  • Das Fluid weist vorzugsweise eine niedrige Temperatur auf, so dass die Schmelze nach Einbringen des Fluids in den Gewebeschlauch erkaltet. Damit liegen die Fasern des Gewebeschlauchs eingebettet in der erkalteten Schmelze, wodurch ein endlosfaserverstärktes, thermoplastisches Strukturbauteil mit einem Hohlkörperprofil hergestellt ist. Mittels des Verfahrens ist somit die Herstellung eines Hohlkörperprofils ohne zusätzliches Fügeverfahren möglich, wobei anhand des geschlossenen Hohlprofils das Strukturbauteil in vorteilhafter Art und Weise eine vergleichsweise hohe Torsionssteifigkeit aufweist. Damit ist das Strukturbauteil gegenüber Strukturbauteilen mit einem offenen Profil gewichtsreduziert und besonders biegesteif.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Fluid mit einem vorbestimmbaren Druck in den Gewebeschlauch eingeführt, wodurch die injizierte Schmelze durch den Gewebeschlauch geströmt wird und sich vorzugsweise gleichmäßig verteilt. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um Wasser.
  • Zur Optimierung des Strukturbauteils hinsichtlich der Torsionssteifigkeit wird dieses mit einem Organoblech kombiniert. Dazu wird ein Organoblech umgeformt, mit einem Kunststoff hinterspritzt und anschließend stoffschlüssig mit dem Strukturbauteil verbunden.
  • Um eine optimale stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Strukturbauteil und dem Organoblech sicherzustellen, wird das Organoblech zumindest bereichsweise erwärmt.
  • Zur Herstellung des Strukturbauteils ist eine Vorrichtung mit einem Werkzeug vorgesehen, mittels welcher erfindungsgemäß ein Gewebeschlauch in einer Kontur des Werkzeugs anordenbar und anschließend das Werkzeug schließbar ist. Weiterhin ist eine Schmelze in den in dem geschlossenen Werkzeug angeordneten Gewebeschlauch injizierbar und ein Fluid in den Gewebeschlauch einführbar. Das Werkzeug ist vorzugsweise als Kombinationswerkzeug zum Umformen und Hinterspritzen eines herzustellenden Strukturbauteils ausgebildet.
  • Mittels der Vorrichtung ist ein Strukturbauteil mit einem geschlossenen Hohlprofil herstellbar, welches ein vergleichsweise hohes Flächenträgheitsmoment aufweist. Dadurch kann z. B. ein Träger einer Sitzlehnenrückwand schmaler gestaltet werden als ein Träger mit offenem Profil, wodurch Material- und Gewichtseinsparungen möglich sind. Die Sitzlehnenrückwand kann leichter und günstiger hergestellt werden. Zudem kann eine Sitzstruktur belastungsgerecht konstruiert und gefertigt werden.
  • Anhand der beigefügten schematischen Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils nach einem ersten, zweiten und dritten Schritt,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung, insbesondere ein Längsschnitt, eines Strukturbauteils,
  • 3 schematisch eine weitere Schnittdarstellung, insbesondere ein Querschnitt, des Strukturbauteils verbunden mit einem Organoblech, und
  • 4 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugsitzes mit einem darauf positionierten Fahrzeuginsassen.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt, einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Strukturbauteils 2. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt des Strukturbauteils 2 und
  • 3 einen Querschnitt des Strukturbauteils 2, wobei das Strukturbauteil mit einem Organoblech 4 verbunden ist. Ein Organoblech 4 ist ein flächiges Halbzeug aus einem thermoplastischen Kunststoff, in welchen ein Gewebe aus Glas-, Carbon- und/oder Aramidfasern oder einer Mischform aus diesen derart eingebracht ist, dass die Fasern vollständig mit thermoplastischem Kunststoff benetzt sind. Organobleche 4 sind somit endlosfaserverstärkte Thermoplastplatten.
  • Die Vorrichtung 1 wird gemäß 1 während eines ersten Schritts S1, eines zweiten Schritts S2 und eines dritten Schritts S3 dargestellt (von oben nach unten betrachtet).
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 1 ein Werkzeug 1.1, welches vorzugsweise als ein Kombinationswerkzeug aus einem Formwerkzeug und einem Spritzgusswerkzeug gebildet ist. Beispielsweise ist das Werkzeug 1.1 als ein zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper gebildet, welcher einen ersten Formkörper und einen zweiten Formkörper umfasst. Dabei weist einer der Formkörper ein Umformprofil als Positivkontur des herzustellenden Strukturbauteils 2 und der andere der Formkörper eine entsprechend korrespondierende Aussparung auf. Die Positivkontur und die Aussparung bilden dabei die Kavität des Werkzeugs 1.1.
  • Das Werkzeug 1.1 ist vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Alternativ ist das Werkzeug 1.1 aus einer Keramik oder einem Kunststoff geformt, wobei dazu das Werkzeug 1.1 zumindest im Bereich der Kavität mit einer Metallbeschichtung versehen ist.
  • Im ersten Schritt S1 wird ein Gewebeschlauch 3 in die Positivkontur des Werkzeugs 1.1 eingelegt. Anschließend wird das Werkzeug 1.1 geschlossen.
  • Das Schließen des Werkzeugs 1.1 kann dabei manuell oder bevorzugt automatisiert erfolgen.
  • Im zweiten Schritt S2 wird eine Schmelze 5 in den in dem geschlossenen Werkzeug 1.1 angeordneten Gewebeschlauch 3 injiziert. Dazu umfasst die Vorrichtung 1 eine nicht näher dargestellte Injektionsmaschine, welche manuell betätigbar ist oder automatisiert arbeitet.
  • Die Schmelze 5 ist beispielsweise ein flüssiger Kunststoff mit einer entsprechend über dessen Schmelzpunkt liegenden Temperatur, z. B. zwischen 100 Grad Celsius und 200 Grad Celsius. Besonders geeignet sind dazu einphasige, nicht wasserlösliche Thermoplaste, z. B. Polyamid, Polyolefin, Polypropylen.
  • Im dritten Schritt S3 wird ein Fluid 6, z. B. Wasser, in den Gewebeschlauch 3 mit einer entsprechend niedrigen Temperatur und entsprechend hohem Druck eingeführt, so dass sich die bereits injizierte Schmelze 5 vorzugsweise gleichmäßig an der inneren Wandung des Gewebeschlauchs 3 verteilt. Nach Einbringen des Fluids in den Gewebeschlauch 3 liegen dessen Fasern eingebettet in der erkalteten Schmelze 5. Damit ist ein endlosfaserverstärktes, thermoplastisches Strukturbauteil 2 mit einem Hohlkörperprofil entlang der Positivkontur des Werkzeugs 1.1 hergestellt.
  • In einem weiteren, nicht näher dargestellten Schritt wird das Organoblech 4 umgeformt und eine Oberfläche des Organoblechs 4 mit einer verstärkenden Struktur, vorzugsweise einer Rippenstruktur, hinterspritzt. Die Rippenstruktur ist vorzugsweise aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff wie das Organoblech 4 gebildet. Damit ist aus Organoblech 4 und Rippenstruktur ein integriertes und somit einstückiges Bauteil gebildet.
  • Die Anbindung des Organoblechs 4 an das Strukturbauteil 2 erfolgt vorzugsweise über die thermoplastische Matrix des Organoblechs 4 und/oder die thermoplastisch verstärkte, dem Organoblech 4 zugewandte Oberfläche des Strukturbauteils 2, wobei die thermoplastische Matrix entsprechend erwärmt wird, so dass das Strukturbauteil 2 eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Organoblech 4 eingeht. D. h. es erfolgt eine oberflächenseitige Verschmelzung zwischen Strukturbauteil 2 und Organoblech 4.
  • Durch das geschlossene Hohlprofil weist das Strukturbauteil 2 eine vergleichsweise hohe Torsionssteifigkeit auf. Damit ist das Strukturbauteil 2 gegenüber Strukturbauteilen 2 mit offenen Profilen gewichtsreduziert und besonders biegesteif. Beispielsweise ist das Strukturbauteil 2 damit zur Herstellung einer Sitzlehnenrückwand für einen Fahrzeugsitz 7 geeignet.
  • 4 zeigt in perspektivischer Ansicht einen beispielhaften Fahrzeugsitz 7 mit einem darauf positionierten Fahrzeuginsassen 8.
  • Beispielsweise ist mittels des Strukturbauteils 2 und des Organoblechs 4 eine Sitzlehnenrückwand des Fahrzeugsitzes 7 herstellbar, wobei in der eingespritzten Rippenstruktur des Organoblechs 4 Kopfstützenhülsen, Gurtumlenkung und/oder eine Aufnahme für eine Gurtaufrollvorrichtung ausgeformt sein können.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das Strukturbauteil 2 in einen im Fahrzeugsitzbezug angeordneten Kanal 9, ein sogenannter Trimkanal, anzuordnen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    1.1
    Werkzeug
    2
    Strukturbauteil
    3
    Gewebeschlauch
    4
    Organoblech
    5
    Schmelze
    6
    Fluid
    7
    Fahrzeugsitz
    8
    Fahrzeuginsasse
    9
    Kanal
    S1
    erster Schritt
    S2
    zweiter Schritt
    S3
    dritter Schritt
  • 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 19747021 B4 [0003]

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (2), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt (S1) ein Gewebeschlauch (3) in einer Kontur eines Werkzeugs (1.1) angeordnet und anschließend das Werkzeug (1.1) geschlossen wird, – in einem zweiten Schritt (S2) eine Schmelze (5) in den in dem geschlossenen Werkzeug (1.1) angeordneten Gewebeschlauch (3) injiziert wird, und – in einem dritten Schritt (S3) ein Fluid (6) in den Gewebeschlauch (3) eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (6) mit einem vorbestimmbaren Druck eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Organoblech (4) umgeformt und mit einem Kunststoff hinterspritzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte und hinterspritzte Organoblech (4) stoffschlüssig mit dem Strukturbauteil (2) verbunden wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (4) zumindest bereichsweise erwärmt wird.
  6. Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Strukturbauteils (2) mit einem Werkzeug (1.1), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt (S1) ein Gewebeschlauch (3) in einer Kontur des Werkzeugs (1.1) anordenbar und anschließend das Werkzeug (1.1) schließbar ist, – in einem zweiten Schritt (S2) eine Schmelze (5) in den in dem geschlossenen Werkzeug (1.1) angeordneten Gewebeschlauch (3) injizierbar ist, und – in einem dritten Schritt (S3) ein Fluid (6) in den Gewebeschlauch (3) einführbar ist.
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