DE102013021876A1

DE102013021876A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung flächiger Verbundstrukturen

Info

Publication number: DE102013021876A1
Application number: DE102013021876.4A
Authority: DE
Inventors: Julius Rausch; Robert Thomas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung flächiger Verbundstrukturen, wie sie vorzugsweise im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden. Um ein vergleichsweise wirtschaftlicheres Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Profil (2) in eine flächige Verbundstruktur (1) integriert wird, indem das mindestens eine Profil (2) in eine Kavität (9) eines Werkzeugs (8) eingelegt und nachfolgend nach Art eines verlorenen Kerns mindestens teilweise mit einem Kunststoff umschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung flächiger Verbundstrukturen, wie sie vorzugsweise im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden.
Aus Gründen der Gewichtsersparnis werden im Kraftfahrzeugbau fortschreitend mehr Kunststoffteile im Ersatz von Metallbauteilen eingesetzt. Zur Erhöhung der Steifigkeit ist auch bei Verwendung von flächigen Verbundstrukturen bekannt, Profile mit dem flächigen Kunststoff-Bauteil zu verbinden. Profile haben aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften und preiswerten Herstellung in kontinuierlichen Verfahren einen festen Platz in der Konstruktion automobiler Strukturen.
Um die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Profilen und die damit verbundenen Eigenschaften auch für Kunststoffbauteile nutzen zu können, ist eine Verbindung der Profile mit einer Kunststoff- und insbesondere Faserverbundkunststoff- bzw. FVK-Struktur notwendig. Für eine Anbindung eines Profils an ein flächiges FVK-Bauteil können, im Sinne einer differentiellen Bauweise, verschiedene Wege beschritten werden. Zu den möglichen Verfahren zählen u. a. Kleben und Schweißen des Kunststoffteils, siehe und .
Sowohl aus Sicht der Bauteilfunktion, im Sinne guter mechanischer Festigkeit, als auch unter der Prämisse einer wirtschaftlichen Bauteilfertigung, ist ein Fügen der genannten Bestandteile nicht optimal.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vergleichsweise wirtschaftlicheres Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass mindestens ein Profil in eine flächige Faserverbundstruktur integriert wird, indem das mindestens eine Profil in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegt und nachfolgend nach Art eines sog. „verlorenen Kerns” mindestens teilweise mit einem Kunststoff umschlossen wird. Der Fachterminus des „verlorenen Kerns” stammt zwar aus der Gießereitechnik und bezeichnet dort eine Maßnahme zur Herstellung definierter Hohlräume im Innern von Gussteilen. Erfindungsgemäß werden – im Unterschied zu der i. d. R. flüssige Metalle verarbeitenden Gießereitechnik – gemäß vorliegender Erfindung nicht lediglich Hohlräume mit definierten Abmaßen in einem Kunststoff geschaffen. Vielmehr werden die strukturellen Eigenschaften mindestens eines Profilstücks, das nach Art eines verlorenen und einem fertigen Produkt als Einzelteil bzw. einzelnes Profilstück nicht mehr entnehmbaren Kerns in eine Form eingesetzt worden ist, gezielt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines sich so ergebenden Produktes genutzt. In diesem Sinne werden die vorstehend genannten separaten Schritte eines zu diesem Zwecke bekannten Fügeverfahrens also dadurch umgangen, dass das mindestens eine Profil mit einer flächigen Verbundstruktur schon im Zuge deren Herstellung verbunden wird. Damit entfällt mindestens ein separater Arbeitsschritt, was neben einer Vereinfachung in der Handhabung der zu verbindenden Elemente unmittelbar auch zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit eines erfindungsgemäßen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens führt.
Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung umfasst eine spezifische Verfahrensführung, die es erlaubt Profile in eigentlich nur einem Prozessschritt mit einer flächigen Verbundstruktur dauerhaft und sicher zu verbinden. Dabei wird vorteilhafterweise zusätzlich eine zum Stand der Technik verbesserte Anbindung bezüglich der Profile erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach wird das mindestens eine Profil von einem verflüssigten Kunststoff umspritzt oder von einer Pressmasse umflossen. Es sind damit grundsätzlich zwei voneinander im Weiteren zu unterscheidende Ausführungsformen für ein erfindungsgemäßes Verfahren möglich:

1. Integration mindestens eines Profils in einem Spritzgießprozess und
2. Integration mindestens eines Profils in einem Präge- bzw. Pressprozess

Vorteilhafterweise ist beiden Arten der Umsetzung gemein, dass das mindestens eine Profil in der Kavität des Werkzeugs zusammen mit einem Einleger positioniert werden kann, insbesondere mit einem textilen Endlosfaser-Einleger aus den Materialien und in Bauformen, wie sie dem Fachmann hinlänglich bekannt sind. Mithin kann als Endprodukt eine flächige und durch mindestens ein Profil verstärke Faser-Verbundstruktur erhalten werden.
Hinsichtlich einer Verwendung eines Präge- bzw. Pressprozesses im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zudem die vorteilhafte Möglichkeit, dass das mindestens eine Profil in der Kavität des Werkzeugs mit zur Umformung einer jeweiligen Pressmasse verwendet wird. Hierbei kann das mindestens eine Profil in der Kavität des Werkzeugs bei der Umformung der Pressmasse vorteilhafterweise auch nach Art eines Stempels im Rahmen des eigentlichen Präge- bzw. Pressprozesses verwendet werden.
Weiter ist es vorteilhaft, dass das mindestens eine Profil aus einem Metall oder Metallgemisch oder aus einem Kunststoff, insbesondere einem FVK bestehen kann. Zudem ist eine Verwendung mehrerer Profile auch dann in einem Prozessschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wenn die Profile jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Der vorstehenden Beschreibung entsprechend zeichnet sich eine Vorrichtung zur Herstellung flächiger Verbundstrukturen zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorstehend offenbarten Merkmalen dadurch aus, dass die Vorrichtung ein Werkzeug umfasst, das für einen Spitzgieß- oder einen Präge- oder Pressprozess ausgebildet ist, und das Werkzeug mindestens eine Kavität aufweist, wobei in der Kavität jeweils mindestens ein Profil einlegbar und für ein nachfolgendes mindestens teilweises Umschließen mit einem Kunststoff durch ein Verspritzen oder Verpressen fixierbar ist.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gegenüberstellung zu Verfahren nach dem Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
1: einen Schnitt durch ein geöffnetes Werkzeug nach einem Ausführungsbeispiel mit darin fixiertem Profil und eingelegter Pressmasse;
2: den Schnitt gemäß 1 nach dem Schließen des Werkzeugs in einem anschließenden Prägeschritt;
3: eine dreidimensionale Darstellung eines Produktes, wie es einem Werkzeug gemäß 1 und 2 entnehmbar ist;
4: einen Schnitt durch eine bekannte Verbindung eines Profils mit einer flächigen Struktur und
5: eine dreidimensionale Darstellung einer Anordnung mit einem nur über eine Unterseite an eine FVK-Struktur geklebten oder einem mit dieser Struktur verschweißten Profilstück.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
4 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Art einer Verbindung zur Herstellung einer Verbundstruktur 1 aus einem Profil 2, das mit einer flächigen Struktur 3 über eine Verbindungsschicht 4 einstückig verbunden ist. Die Verbindungsschicht 4 kann in Form einer Klebeschicht oder Schweißschicht als Beispiel für Arten der Verbindung nach dem Stand der Technik ausgeführt sein.
5 stellt eine seitliche Ansicht der Anordnung von 1 in dreidimensionaler Form dar. Aus beiden Abbildungen geht eindeutig hervor, dass hier eine mechanische Anbindung des Profils 2 an die flächige Struktur 3 nur über eine Unterseite 5 des Profils 2 an einer Oberseite 6 der flächigen Struktur 3 in Form einer FVK-Struktur 7 gegeben ist. Es ist dabei weitgehend unerheblich, ob hierzu das Profilstück 2 angeklebt oder mit der flächigen Struktur 3 verschweißt worden ist.
Die Abbildung von 1 stellt dem einen Schnitt durch ein geöffnetes Werkzeug 8 gegenüber. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Profil 2 in einer Kavität 9 der Patrize 10 fixiert. In einer zugehörigen Matrize 11 ist eine Pressmasse 12 eingelegt worden.
2 zeigt eine zeitlich an den Schnitt gemäß 1 anschließende Situation, wie sie sich nach dem Schließen des Werkzeugs 8 in einem anschließenden Prägeschritt ergibt: Beim Schließen des Werkzeugs 8 presst das Profil 2 quasi als Teil des Werkzeugs 8 die Pressmasse 12 in gewünschte Positionen. Dabei kann die Pressmasse 12 das Profil 2 auch umfließen. So bindet die Pressmasse 12 das Profil 2 beim Abkühlen noch besser an die übrige, flächig ausgebildete Struktur 3.
3 zeigt als Ansicht des in 2 gezeigten Schnitts mit einer dreidimensionalen Darstellung eines einem Werkzeug 8 gemäß 1 und 2 entnehmbaren Produktes ein Grundprinzip der vorstehend beschriebenen Anbindung und skizziert beispielhaft zusätzliche Freiheitsgrade beim Design der Anbindung „Profil/Fläche” schematisch. Neben der Anbindung des Profils 2 über die Unterseite 5 an die Oberseite 6 flächigen Struktur 3, wie es beim Kleben oder Schweißen realisierbar ist, besteht demnach zusätzlich die Möglichkeit über das Fließpressen mit einer LFT-Masse auch Rippen 12 und sonstige flächige Anbindungen an Seiten 13 des Profils 2 zu schaffen.
Das Profil ist nicht nur auf der Fläche 6 angebunden, sondern zusätzlich über Rippen 12 angebunden. Die Gestaltung der Rippen 12 ist dabei in einem weiten Bereich Variabel und individuellen Anforderungen eines jeweiligen Anwendungsfalls anpassbar.
Bezugszeichenliste

1: Verbundstruktur
2: Profil
3: flächige Struktur
4: Verbindungsschicht
5: Unterseite des Profils 2
6: Oberseite der flächigen Struktur 3
7: FVK-Struktur
8: Werkzeug
9: Kavität
10: Patrize
11: Matrize
12: Pressmasse
13: Rippe
14: Seiten des Profils 2

Claims

Verfahren zur Herstellung flächiger Verbundstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Profil (2) in eine flächige Verbundstruktur (1) integriert wird, indem das mindestens eine Profil (2) in eine Kavität (9) eines Werkzeugs (8) eingelegt und nachfolgend nach Art eines verlorenen Kerns mindestens teilweise mit einem Kunststoff umschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Profil (2) von einem verflüssigten Kunststoff umspritzt oder von einer Pressmasse (12) umflossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Profil (2) in der Kavität (9) des Werkzeugs (8) zusammen mit einem Einleger positioniert wird, insbesondere mit einem Einleger aus einer textilen Endlosfaser.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Profil (2) in der Kavität (9) des Werkzeugs (8) mit zur Umformung einer Pressmasse (12) verwendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Profil (2) in der Kavität (9) des Werkzeugs (8) bei der Umformung der Pressmasse (12) nach Art eines Stempels verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein metallisches Profil (2) und/oder mindestens ein Profil (2) aus einem FVK verwendet wird.
Vorrichtung zur Herstellung versteifter flächiger Faserverbundstrukturen, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche besonders ausgebildet ist und sich da durch kennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Werkzeug (8) umfasst, das für einen Spitzgieß- oder einen Präge- oder Pressprozess ausgebildet ist, und das Werkzeug (8) mindestens eine Kavität (9) aufweist, wobei in der Kavität (9) jeweils mindestens ein Profil (2) einlegbar und für eine nachfolgendes mindestens teilweises Umschließen mit einem Kunststoff durch ein Verspritzen oder Verpressen fixierbar ist.