DE102014009729A1

DE102014009729A1 - Verfahren und Werkzeuganordnung zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff und Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102014009729A1
Application number: DE102014009729.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lütgert; Holger Rothenburger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-06-28
Filing date: 2014-06-28
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, mit folgenden Schritten: Erwärmen eines faserverstärkten Halbzeugs (55); Umformen des faserverstärkten Halbzeugs (55) in einem Umformwerkzeug (3) zu einem Rohling (43); Erwärmen einer Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) in einem geschlossenen Veredelungswerkzeug (5), und Beaufschlagen der erwärmten Oberfläche (45) in dem Veredelungswerkzeug (5) mit einem Druck zur Veredelung der Oberfläche (45).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1, eine Werkzeuganordnung zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 6, ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 9, und ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 10.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere zur Herstellung thermoplastischer Faserverbundbauteile, sind grundsätzlich bekannt. Aus der Patentanmeldung US 2005/0035115 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff hervor, wobei eine Fasermatte in ein Werkzeug eingelegt, dort induktiv erwärmt und unter Verwendung einer aufblasbaren Blase gegen eine Oberfläche einer Werkzeughälfte angedrückt wird, wobei die Werkzeughälfte, gegen welche die Fasermatte angedrückt wird, eine herzustellende, dreidimensionale Form des Bauteils aufweist.
Aus der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 2006/136743 A1 geht eine Vorrichtung zur Erwärmung und Umformung eines Halbzeugs aus faserverstärktem Kunststoff mit thermoplastischer Matrix hervor, wobei eine induktive Erwärmung vorgesehen ist.
Nach der dreidimensionalen Umformung eines faserverstärkten Halbzeugs in eine dreidimensionale Form eines herzustellenden Bauteils, weist der so erzeugte Rohling häufig keine ausreichende Oberflächenqualität auf. Insbesondere dann, wenn die Oberfläche des Bauteils in Sichtqualität, beispielsweise für die Verwendung im Bereich einer Außenhaut eines Kraftfahrzeugs oder auch im Bereich eines Fahrzeug-Interieurs, ausgebildet sein soll, sind weitere Verfahrensschritte nötig, um die gewünschte Oberflächenqualität sicherzustellen. Hierzu ist typischerweise vorgesehen, dass nach dem Umformen des faserverstärkten Halbzeugs auf den Rohling eine Mehrzahl zusätzlicher Schichten eines Kunststoffs, insbesondere eines Matrix-Materials, nämlich eines Primers oder Fillers, aufgetragen werden, wobei die aufgetragenen Schichten vor einer Lackierung geschliffen werden, um Oberflächenstörungen zu minimieren. Die Oberfläche wird anschließend beim Lackieren weiter geglättet. Diese Vorgehensweise ist äußerst aufwändig und kostenintensiv und kann außerdem nicht gewährleisten, dass alle Oberflächenstörungen vollständig und in ausreichender Qualität beseitigt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeuganordnung sowie ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen, welche ebenfalls die genannten Nachteile nicht aufweisen.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird ein faserverstärktes Halbzeug, nämlich ein Halbzeug aus faserverstärktem Kunststoff, erwärmt. Das faserverstärkte Halbzeug wird in einem Umformwerkzeug – vorzugsweise dreidimensional – zu einem Rohling umgeformt. Anschließend wird eine Oberfläche des umgeformten Rohlings in einem geschlossenen Veredelungswerkzeug erwärmt, und die erwärmte Oberfläche wird in dem Veredlungswerkzeug mit einem Druck beaufschlagt, um die Oberfläche zu veredeln. Auf ein nachträgliches Auftragen einer Mehrzahl von Schichten oder auch nur einer einzigen zusätzlichen Kunststoffschicht kann verzichtet werden, weil die beim Umformen erzeugte Oberfläche des Rohlings selbst in dem Veredelungswerkzeug veredelt werden kann. Hierzu wird sie oberflächliche erwärmt und mit einem Druck beaufschlagt, sodass die erwärmte Oberfläche an eine gegenüberliegende Werkzeugoberfläche des Veredelungswerkzeugs gedrückt wird. Dadurch, dass nur die Oberfläche erwärmt wird, besteht nicht die Gefahr, dass der Rohling seine beim Umformen erzielte Form verliert. Die Oberfläche selbst wird bevorzugt bis zu einer Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur erhitzt und durch Andrücken an die gegenüberliegende Werkzeugoberfläche des Veredelungswerkzeugs geglättet. Dabei entsteht letztlich das fertige Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer sehr hohen Oberflächenqualität. Insbesondere können mit Hilfe des Verfahrens werkzeugfallende, thermoplastische Faserverbundbauteile mit sehr hoher Oberflächenqualität hergestellt werden. Das Verfahren ist dabei deutlich weniger aufwändig und auch weniger materialintensiv als bekannte Verfahren unter Aufbringen einer Mehrzahl von Schichten und Schleifen der Oberfläche. Somit kann das Verfahren auch kostengünstig und schnell durchgeführt werden.
Insgesamt wird ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt das faserverstärkte, vorzugsweise thermoplastische Halbzeug zunächst insgesamt erwärmt und in dem Umformwerkzeug unter Einwirkung eines Schließdrucks des Umformwerkzeugs dreidimensional zu dem Rohling umgeformt wird, wobei in einem nachfolgenden, zweiten Schritt, der in dieser Weise geformte Rohling in dem geschlossenen Veredelungswerkzeug oberflächenerwärmt wird, wobei die erwärmte Oberfläche – insbesondere unter Einwirkung des Schließdrucks des Veredelungswerkzeugs – an die gegenüberliegende Werkzeugoberfläche gedrückt und so geglättet wird. Hierdurch wird die Oberfläche veredelt.
Das Umformwerkzeug ist bevorzugt als Presse ausgebildet, weist also insbesondere ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, die miteinander eine Kavität einschließen. Dabei sind das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug üblicherweise relativ zueinander verlagerbar, nämlich in eine Offenstellung und in eine Schließstellung.
Bevorzugt ist auch das Veredelungswerkzeug als Pressenwerkzeug ausgebildet, wobei es insbesondere ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, die miteinander eine Kavität einschließen und relativ zueinander in eine Offenstellung und in eine Schließstellung verlagerbar sind. Dabei kann in der Schließstellung ein Schließdruck auf den Rohling ausgeübt werden. Es ist auch möglich, dass das Umformwerkzeug und/oder das Veredelungswerkzeug eine aufblasbare Blase aufweisen, durch welche das faserverstärkte Halbzeug und/oder die erwärmte Oberfläche des umgeformten Rohlings gegen eine Werkzeugfläche gedrängt werden kann/können. Wichtig ist, dass im Rahmen der Veredelung in dem Veredelungswerkzeug keine Umformung des Rohlings stattfindet. Aufgrund der Oberflächenerwärmung ist der Rohling in dem Veredelungswerkzeug formstabil, und es wird lediglich die vorzugsweise bis zur Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmte Oberfläche geglättet.
Als faserverstärktes Halbzeug wird vorzugsweise ein Organoblech, insbesondere ein faserverstärkter Thermoplast, eingesetzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Matrixmaterial des faserverstärkten Thermoplast Polyamid oder ein Epoxidharz verwendet. Als Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Glasfasern, Metallfasern, insbesondere Stahlfasern, Keramikfasern, Naturfasern, oder andere Fasern zum Einsatz kommen. Eine in dem Matrixmaterial eingebettete Faserstruktur kann als Gewebe, Gelege, Gestrick, Gewirk, als Wirrfaservlies oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Dabei kann die Struktur einzelne Fasern oder Faserbündel, sogenannte Rovings, aufweisen. Die Struktur kann einlagig oder auch mehrlagig ausgebildet sein.
Es ist möglich, dass im Rahmen des Verfahrens mehr als eine Oberfläche des umgeformten Rohlings veredelt wird. Insbesondere können zwei einander abgewandte oder gegenüberliegende Oberflächen des umgeformten Rohlings, insbesondere zugleich – veredelt werden, indem der Rohling an beiden Oberflächen erwärmt und mit einem Druck, insbesondere dem Schließdruck des Veredelungswerkezugs, beaufschlagt wird. Allerdings ist es auch möglich, dass der Rohling nur an genau einer Oberfläche veredelt wird, insbesondere an einer Oberfläche, die bei einer späteren Verwendung nach außen sichtbar ist, beispielsweise in einer Außenhaut eines Kraftfahrzeugs oder als Sichtseite in einem Kraftfahrzeug-Interieur.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das faserverstärkte Halbzeug in einem Ofen erwärmt und anschließend in das Umformwerkzeug eingelegt wird. Insbesondere wird das faserverstärkte Halbzeug vorzugsweise in dem Ofen bis zu einer Erweichungstemperatur erwärmt. Es ist dann nicht mehr formstabil und kann entsprechend in das Umformwerkzeug eingelegt und in diesem umgeformt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Umformwerkzeug selbst nicht bis zu der Erweichungstemperatur erhitzt werden muss. Vielmehr genügt es, das Umformwerkzeug anzuwärmen und insbesondere mithilfe eines in dem Werkzeug zirkulierenden Temperiermediums auf einer konstanten, vergleichsweise niedrigen Temperatur von beispielsweise mindestens 70°C bis höchstens 90°C zu halten. Dies ermöglicht dem umgeformten Rohling zugleich ein sanftes Erstarren nach dem Umformen.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das faserverstärkte Halbzeug mittels Infrarotstrahlung erwärmt wird, vorzugsweise bis zur Erweichungstemperatur. Es ist auch möglich, dass das faserverstärkte Halbzeug in dem Umformwerkzeug selbst auf seine Erweichungstemperatur erwärmt wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Oberfläche des umgeformten Rohlings in dem Veredelungswerkzeug direkt induktiv erwärmt wird. In diesem Fall weist zumindest die Oberfläche des Rohlings selbst induktiv erwärmbare Eigenschaften, insbesondere eingebettete, magnetische Partikel auf, sodass sie unmittelbar durch das magnetische Wechselfeld eines Induktors erhitzt werden kann. Während diese Ausführungsform des Verfahrens eine besonders effiziente und kostengünstige Erwärmung der Oberfläche ermöglicht, stellt sie zugleich erhöhte Anforderungen an die Oberfläche und schränkt die Verwendung von Materialien für das faserverstärkte Halbzeug ein.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher die Oberfläche des umgeformten Rohlings in dem Veredelungswerkzeug indirekt induktiv erwärmt wird. Hierbei wird zumindest ein der zu veredelnden Oberfläche zugewandtes Werkzeugteil induktiv erwärmt, vorzugsweise mittels eines in das Werkzeugteil eingebetteten Induktors. Das derart erwärmte Werkzeugteil erwärmt dann seinerseits die Oberfläche des umgeformten Rohlings. Dabei wird durch geeignete induktive Erwärmung des Werkzeugteils bevorzugt sichergestellt, dass die Veredelung der Oberfläche innerhalb einer Zeitspanne erfolgen kann, in der die in die Oberfläche eingeleitete Wärme nicht bis in tiefere Schichten des Rohling-Materials eindringen kann. Insbesondere wird die Oberfläche des Rohlings bevorzugt nur bis zu einer Tiefe erwärmt, in der noch kein Fasermaterial vorhanden ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Oberfläche effizient aufzuschmelzen oder zu erweichen, und so zu veredeln, wobei zugleich die Formstabilität des Rohlings in dem Veredelungswerkzeug gewährleistet ist. Während diese Ausführungsform des Verfahrens gegebenenfalls weniger effizient und kostengünstig in Hinblick auf die Erwärmung der Oberfläche ist als eine direkte Erwärmung, ist sie jedoch flexibler in Hinblick auf die Materialwahl für die Oberfläche und auch den Rohling insgesamt, da kein Material ausgewählt werden muss, welches direkt induktiv erwärmbar ist.
Es wird besonders eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sowohl als Umformwerkzeug als auch als Veredelungswerkzeug dasselbe Werkzeug verwendet wird. Das Verfahren ist in diesem Fall besonders einfach und kostengünstig durchführbar, weil zwischen dem Umformen und dem Veredeln kein Werkzeugwechsel stattfinden muss. Das hierbei verwendete Werkzeug ist sowohl eingerichtet zum Umformen des Halbzeugs als auch zum Veredeln der Oberfläche des umgeformten Rohlings.
Alternativ ist es auch möglich, im Rahmen des Verfahrens zwei verschiedene Werkzeuge zu verwenden, wobei ein erstes Werkzeug als Umformwerkzeug ausgebildet ist, wobei ein zweites Werkzeug als Veredelungswerkzeug ausgebildet ist. In diesem Fall wird der in dem Umformwerkzeug umgeformte Rohling aus dem Umformwerkzeug in das Veredelungswerkzeug verlagert, wobei in diesem die Oberfläche des Rohlings veredelt und damit schließlich das faserverstärkte Bauteil hergestellt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass ein konventionelles Umformwerkzeug verwendet werden kann, ohne dass es einer Umrüstung desselben bedarf. Es muss lediglich zusätzlich ein geeignetes Veredelungswerkzeug bereitgestellt werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Oberfläche des umgeformten Rohlings derart erwärmt wird, dass eine Eindringtiefe der Erwärmung maximal bis zu einer gedachten Grenzfläche zwischen einer äußeren Schicht aus reinem Matrixwerkstoff und einer in dem Matrixwerkstoff eingebetteten Faserverstärkung reicht. Das faserverstärkte Halbzeug und auch der umgeformte Rohling weisen typischerweise Matrixmaterial auf, welches – in einer Richtung senkrecht zu einer Erstreckung der Faserverstärkung gesehen – über diese hinausragt. Die Faserverstärkung ist dabei vollständig in den Matrixwerkstoff eingebettet. Es ist daher möglich, eine gedachte Grenzfläche zu ziehen, welche einen Bereich des Rohlings, der unmittelbar die Faserverstärkung aufweist, von einem darüber hinausragenden Bereich, welcher aus reinem Matrixwerkstoff besteht, trennt. Im Rahmen des Verfahrens wird nun die Erwärmung der Oberfläche des Rohlings bevorzugt derart durchgeführt, dass die Eindringtiefe der Erwärmung – von der Oberfläche aus gesehen – höchstens bis zu dieser gedachten Grenzfläche reicht. Somit wird vermieden, dass der Bereich des Rohlings – insbesondere bis zur Erweichungs- oder Schmelztemperatur – erwärmt wird, welcher die Faserverstärkung aufweist. Somit ist zum einen gewährleistet, dass die Oberfläche des Rohlings effizient geglättet werden kann, wobei zum anderen die Formstabilität des Rohlings gewährleistet bleibt.
Die Eindringtiefe der Erwärmung wird vorzugsweise über die Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs definiert. Dies bedeutet, dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass letztlich eine auf Erweichungs- oder Schmelztemperatur erhitzte Zone des Matrixwerkstoffs sich lediglich bis zu der gedachten Grenzfläche in den Rohling hinein erstreckt. Dabei wird die Eindringtiefe bevorzugt an jedem Punkt der Oberfläche senkrecht zu dieser gemessen. Die derart bestimmte Eindringtiefe beträgt bevorzugt wenige zehntel Millimeter, insbesondere von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 0,9 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 0,7 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis höchstens 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 mm bis höchstens 0,2 mm.
Zum Zwecke einer effizienten Glättung der Oberfläche einerseits und zum Verhindern eines Eindringens der Erwärmung in eine größere Tiefe des Rohlings andererseits wird die Oberfläche bevorzugt eine vorherbestimmte Zeit auf einer Veredelungstemperatur – die vorzugsweise gleich einer Schmelz- oder Erweichungstemperatur ist – gehalten. Dies entspricht einer Haltezeit für die Homogenisierung der Oberfläche. Diese Haltezeit beträgt bevorzugt von mindestens einer Sekunde bis höchstens 100 Sekunden, vorzugsweise von mindestens 3 Sekunden bis höchstens 60 Sekunden, bevorzugt von mindestens 5 Sekunden bis höchstens 10 Sekunden. Insbesondere kann die Haltezeit bei einer Ausführungsform des Verfahrens 60 Sekunden betragen. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens kann die Haltezeit von wenigstens 5 Sekunden bis höchstens 10 Sekunden betragen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Werkzeuganordnung zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Diese weist ein Umformwerkzeug auf, welches eingerichtet ist zum insbesondere dreidimensionalen Umformen eines faserverstärkten Halbzeugs. Die Werkzeuganordnung weist außerdem ein Veredelungswerkzeug auf, welches eingerichtet ist zum Veredeln oder Homogenisieren einer Oberfläche eines in dem Umformwerkzeug umgeformten Rohlings, wobei das Veredelungswerkzeug eine induktive Heizeinrichtung zur oberflächlichen Erwärmung des umgeformten Rohlings aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine Druckeinrichtung zum Beaufschlagen der erwärmten Oberfläche mit einem Druck aufweist. In Zusammenhang mit der Werkzeuganordnung verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Das Umformwerkzeug und/oder das Veredelungswerkzeug ist/sind bevorzugt als Pressenwerkzeug ausgebildet. Ein solches Pressenwerkzeug weist ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, welche eine Kavität miteinander einschließen und relativ zueinander in eine Offenstellung und in eine Schließstellung verlagerbar sind. Die Druckeinrichtung des Veredelungswerkzeugs ist in diesem Fall bevorzugt durch die beiden Werkzeugteile, nämlich das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug, verwirklicht, wobei die erwärmte Oberfläche mit dem Schließdruck des Pressenwerkzeugs beaufschlagt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Umformwerkzeug und/oder das Veredelungswerkzeug eine aufblasbare Blase aufweist/aufweisen, mit deren Hilfe das Halbzeug und/oder die erwärmte Oberfläche des Rohlings gegen eine Werkzeugfläche gedrängt werden kann/können.
Es ist möglich, dass die Werkzeuganordnung eine von dem Umformwerkzeug separate Heizeinrichtung aufweist, mit oder in der das faserverstärkte Halbzeug auf eine Erweichungstemperatur erwärmt werden kann. Die Heizeinrichtung ist bevorzugt als Ofen ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine auf Infrarotstrahlung basierende Heizeinrichtung vorgesehen ist.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Werkzeuganordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Umformwerkzeug und/oder das Veredelungswerkzeug einen Temperiermediumkreislauf aufweist/aufweisen. Mithilfe dieses Temperiermediumkreislaufs ist es vorzugsweise möglich, das Werkzeug nach Bedarf zu erwärmen, zu kühlen und/oder auf einer konstanten Temperatur zu halten. Insbesondere wird das Umformwerkzeug mithilfe des Temperiermediumkreislaufs vorzugsweise auf einer im Vergleich zu der Erweichungstemperatur niedrigen Temperatur von vorzugsweise mindestens 70°C bis höchstens 90°C gehalten, um eine fehlerfreie Umformung zu gewährleisten und eine definierte Erstarrung des umgeformten Rohlings sicherzustellen. In dem Veredelungswerkzeug wird der Temperiermediumkreislauf – oder alternativ ein separater Kühlkreislauf – bevorzugt genutzt, um nach dem Homogenisieren beziehungsweise Veredeln der Oberfläche diese zu kühlen und damit zur Erstarrung zu bringen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem das Umformwerkzeug und das Veredelungswerkzeug identisch sind, sodass die Werkzeuganordnung nur ein Werkzeug aufweist, welches sowohl als Umformwerkzeug als auch als Veredelungswerkzeug ausgebildet ist, ist vorzugsweise ein Druckgasanschluss, insbesondere ein Druckluftanschluss, vorgesehen, mittels dem ein Temperiermedium aus dem Temperiermediumkreislauf ausgetrieben, insbesondere ausgeblasen, werden kann. Nach dem Konstanthalten der Temperatur in dem Umformschritt mittels des Temperiermediumkreislaufs wird das Temperiermedium vorzugsweise aus dem Kreislauf entfernt, um zu verhindern, dass dieses während der Erwärmung der Oberfläche beim Veredeln zum Sieden gebracht wird. Nach dem Veredeln, insbesondere nach der Haltezeit für die Homogenisierung der Oberfläche, wird vorzugsweise Temperiermedium in den Temperiermediumkreislauf oder ein Kühlmedium in einen Kühlkreislauf eingeleitet, um die veredelte oder homogenisierte Oberfläche zu kühlen.
Entsprechend weist die Werkzeuganordnung vorzugsweise eine Einrichtung zur Einstellung einer Temperatur, insbesondere zum Konstantregeln einer Temperatur des Temperiermediums auf. Alternativ oder zusätzlich ist – wie bereits erwähnt – vorzugsweise ein Kühlwasserkreislauf vorgesehen, durch den zum Zwecke der Kühlung des Rohlings und/oder der veredelten Oberfläche ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, durchleitbar ist.
Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Werkzeuganordnung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Werkzeuganordnung ein Werkzeug aufweist, welches als Umformwerkzeug und als Veredelungswerkzeug ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Werkzeuganordnung nur ein und insbesondere genau ein Werkzeug auf, welches zugleich als Umformwerkzeug und als Veredelungswerkzeug ausgebildet ist. Das Werkzeug weist dabei bevorzugt insbesondere sowohl einen Temperiermediumkreislauf als auch eine induktive Heizeinrichtung zur oberflächlichen Erwärmung des umgeformten Rohlings auf. Dabei wird der Temperiermediumkreislauf insbesondere zur Erwärmung des Werkzeugs und/oder zum Konstanthalten von dessen Temperatur in dem Umformschritt eingesetzt, wobei die induktive Heizeinrichtung in dem Veredelungsschritt eingesetzt wird, um den umgeformten Rohling oberflächlich zu erhitzen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer fertig bearbeiteten Oberfläche in Sichtqualität mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Das Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass es frei ist von nach einem Umformschritt aufgetragenen Schichten eines Kunststoffs. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die fertig bearbeitete Oberfläche des Bauteils ungeschliffen ist. Das Bauteil weist demnach eine fertig bearbeitete Oberfläche in Sichtqualität, insbesondere zur Verwendung im Bereich einer Außenhaut eines Kraftfahrzeugs oder in einem Kraftfahrzeug-Interieur, auf, wobei die Oberfläche die hier erforderliche Sichtqualität aufweist, ohne dass zusätzliche Schichten eines Kunststoffs nach einem Umformschritt aufgetragen wurden und/oder ohne dass die Oberfläche durch Schleifen bearbeitet wurde. Damit verwirklichen sich die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführten Vorteile auch in Zusammenhang mit dem Bauteil.
Besonders bevorzugt ist das Bauteil hergestellt durch eine der zuvor genannten Ausführungsformen des Verfahrens und/oder in einer Werkzeuganordnung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Die Aufgabe wird auch gelöst, in dem ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Dieses ist hergestellt durch Erwärmen eines faserverstärkten Halbzeugs, durch Umformen des faserverstärkten Halbzeugs in einen umgeformten Rohling, und durch Veredeln der Oberfläche des umgeformten Rohlings durch oberflächliches Erwärmen und Beaufschlagen der erwärmten Oberfläche mit einem Druck. Damit ergeben sich für das Bauteil die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Besonders bevorzugt ist das Bauteil hergestellt durch eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Alternativ oder zusätzlich ist das Bauteil bevorzugt hergestellt in einer Werkzeuganordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Bauteils zeichnet sich dadurch aus, dass es frei ist von nach einem Umformschritt aufgetragenen Schichten eines Kunststoffs. Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche des Bauteils als fertig bearbeitete Oberfläche ungeschliffen.
Das Bauteil ist bevorzugt ausgebildet als Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere als Bauteil für eine Außenhautanwendung oder für eine sichtbare Anwendung in einem Kraftfahrzeug-Interieur. In diesen Fällen kommt es besonders auf die hohe Oberflächenqualität und insbesondere die Sichtqualität der Oberfläche des Bauteils an, sodass sich in besonderer Weise die mit dem Verfahren, der Werkzeuganordnung und dem Bauteil zusammenhängenden Vorteile verwirklichen.
Die Werkzeuganordnung ist bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Das Verfahren wird bevorzugt durchgeführt mittels eines der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Werkzeuganordnung.
Die Beschreibung des Verfahrens, der Werkzeuganordnung und des Bauteils sind bevorzugt komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Werkzeuganordnung oder dem Bauteil beschrieben wurden, sind vorzugsweise einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Werkzeuganordnung und/oder des Bauteils, der explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Werkzeuganordnung und/oder des Bauteils. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Werkzeuganordnung oder des Bauteils bedingt ist. Die Werkzeuganordnung und/oder das Bauteil zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeuganordnung;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens nach Art eines Flussdiagramms;
3 eine schematische Detaildarstellung eines Werkzeugteils eines Ausführungsbeispiels der Werkzeuganordnung;
4 eine schematische Darstellung eines Details einer Ausführungsform des Verfahrens, und
5 eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeuganordnung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeuganordnung 1 zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff. Diese weist ein Umformwerkzeug 3 auf, das eingerichtet ist zur insbesondere dreidimensionalen Umformung eines faserverstärkten Halbzeugs. Die Werkzeuganordnung weist hier nur genau ein Werkzeug auf, wobei das Umformwerkzeug 3 zugleich auch als Veredelungswerkzeug 5 ausgebildet ist, welches eingerichtet ist zur Veredelung einer Oberfläche eines umgeformten Rohlings. Das Umformwerkzeug 3, welches zugleich als Veredelungswerkzeug 5 ausgebildet ist, wird im Folgenden auch kurz allgemein als „Werkzeug” bezeichnet. Es ist als Pressenwerkzeug ausgebildet und weist ein Oberwerkzeug 7 sowie ein Unterwerkzeug 9 auf, die miteinander eine Kavität 11 einschließen, in welcher ein faserverstärktes Halbzeug zu einem Rohling umformbar ist, wobei außerdem eine Oberfläche des Rohlings veredelbar ist. Hierzu sind das Oberwerkzeug 7 und das Unterwerkzeug 9 relativ zueinander verlagerbar. Dabei ist es möglich, dass das Unterwerkzeug 9 raumfest angeordnet ist, wobei das Oberwerkzeug 7 verlagerbar gehalten ist. Es ist auch möglich, dass das Oberwerkzeug 7 raumfest angeordnet ist, wobei das Unterwerkzeug 9 verlagerbar gehalten ist. Schließlich ist es auch möglich, dass sowohl das Oberwerkzeug 7 als auch das Unterwerkzeug 9 verlagerbar gehalten sind. Typischerweise ist allerdings das Unterwerkzeug 9 raumfest angeordnet und das Oberwerkzeug 7 ist relativ zu diesem verlagerbar gehalten.
Das Werkzeug weist insbesondere in seiner Eigenschaft als Veredelungswerkzeug 5 hier eine schematisch angedeutete, induktive Heizeinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist zur oberflächlichen Erwärmung eines umgeformten Rohlings aus faserverstärktem Kunststoff. Dabei ist die induktive Heizeinrichtung 13 – wie im Folgenden noch näher erläutert wird – insbesondere zur indirekten Erwärmung der Oberfläche des umgeformten Rohlings geeignet, in dem sie das Oberwerkzeug 7 bereichsweise induktiv erwärmt, welches seinerseits die Oberfläche des Rohlings erwärmt. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass die Oberfläche des Rohlings direkt induktiv mittels der induktiven Heizeinrichtung 13 erwärmt wird, wobei sie hierfür geeignet – beispielsweise durch Einbettung magnetischer Partikel – eingerichtet sein muss.
Es ist außerdem eine hier nicht dargestellte Druckeinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zur Beaufschlagung der erwärmten Oberfläche des Rohlings mit einem Druck. Die Druckeinrichtung entspricht hier vorzugsweise der ohnehin vorgesehenen Verlagerungseinrichtung zur Relativverlagerung des Oberwerkzeugs 7 und des Unterwerkzeugs 9, die eingerichtet ist, um einen Pressdruck in einer Schließstellung des Werkzeugs zu erzeugen. Zur Veredelung wird die erwärmte Oberfläche des Rohlings in diesem Fall mit dem Schließdruck des Werkzeugs beaufschlagt.
Das Werkzeug weist hier einen Temperiermediumkreislauf 15 auf, wobei der Temperiermediumkreislauf 15 eine Temperaturregeleinrichtung 17 aufweist, durch welche bevorzugt eine Temperatur in dem Temperiermediumkreislauf 15 konstant regelbar ist. Der Temperiermediumkreislauf 15 dient insbesondere dazu, eine konstante Temperatur in der Kavität 11 halten zu können. Alternativ oder zusätzlich ist des möglich, dass der Temperiermediumkreislauf 15 genutzt wird, um das Werkzeug aufzuheizen und/oder abzukühlen. Insofern ist es möglich, dass der Temperiermediumkreislauf auch als Kühlkreislauf eingesetzt wird.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist allerdings ein separater Kühlkreislauf 19 vorgesehen, in dem vorzugsweise eine Kühltemperaturregeleinrichtung 21 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass der Kühlkreislauf 19 mit einer Kühlmediumquelle verbunden ist, aus welcher dem Kühlmediumkreislauf Kühlmedium mit einer vorzugsweise konstanten Vorlauftemperatur zugeführt wird.
In dem Kühlmediumkreislauf 19 ist eine vorzugsweise drucklose Kühlfalle 23 mit einer Abluftverbindung 25 zur Druckentlastung vorgesehen. Weiterhin ist bevorzugt eine Rücklaufeinrichtung 27 in dem Kühlkreislauf 19 für ein Prozesskühlmedium, insbesondere Prozesskühlwasser vorgesehen.
Der Kühlkreislauf 19 dient bevorzugt dazu, das Werkzeug und insbesondere die Kavität, sowie damit auch den in der Kavität angeordneten Rohling und/oder das in der Kavität angeordnete Bauteil zu kühlen.
Vorzugsweise sind an dem Werkzeug an geeigneten Stellen Temperatursensoren 28 angeordnet, die besonders bevorzugt mit der Temperaturregeleinrichtung 17 und/oder mit der Kühltemperaturregeleinrichtung 21 wirkverbunden sind.
Die Werkzeuganordnung 1 weist schließlich noch eine Druckluftversorgung 29 auf, die mit einer Druckluftquelle 31 verbunden ist. Die Druckluftquelle 31 stellt vorzugsweise einen Druck von maximal 6 Bar bereit. Die dem Werkzeug zugeführte Druckluft wird stromabwärts des Werkzeugs bevorzugt der Kühlfalle 23 zugeführt, durch welche sie dann über die Abluftverbindung 25 in entspanntem Zustand entweichen kann. Es ist dabei möglich, dass die bei der Expansion der Druckluft entstehende Kühlleistung zur Kühlung des Prozesskühlmediums in der Kühlfalle 23 genutzt wird. Die Kühlfalle 23 ist bevorzugt hierzu geeignet eingerichtet.
Stromaufwärts und stromabwärts des Werkzeugs sind hier Ventile 33 vorgesehen, durch welche wahlweise der Temperaturmediumkreislauf 15, der Kühlkreislauf 19 oder die Druckluftversorgung 29 mit dem Werkzeug verbindbar sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff nach Art eines Flussdiagramms. Im Folgenden wird anhand von 2 eine Ausführungsform des Verfahrens unter Bezug auf 1 erläutert. Zunächst wird in einem ersten Schritt S1 ein faserverstärktes Halbzeug, insbesondere ein faserverstärkter Thermoplast, bevorzugt ein Organoblech, erwärmt. Das faserverstärkte Halbzeug wird bevorzugt vor seiner Umformung außerhalb des in 1 dargestellten Umformwerkzeugs 3 in einem Ofen auf eine Erweichungstemperatur erwärmt, in welcher der Matrixwerkstoff, insbesondere das Thermoplast, weich und somit gut umformbar ist. Eine solche Temperatur beträgt bei Polyamid beispielsweise ungefähr 220°C.
Anschließend wird das derart erwärmte, faserverstärkte Halbzeug in einem zweiten Schritt S2 in das Umformwerkzeug 3 eingelegt und dort dreidimensional zu einem Rohling umgeformt.
Vorzugsweise wird das Umformwerkzeug 3 zuvor mittels des Temperiermediumkreislaufs 15 auf eine konstante Umformtemperatur von vorzugsweise mindestens 70°C bis höchstens 90°C vorgewärmt, wobei diese Temperatur mittels des Temperaturmediumkreislaufs 15 und insbesondere mittels der Temperaturregeleinrichtung 17 während der Umformung durch das zirkulierende Temperiermedium konstant gehalten wird. In das derart angewärmte Werkzeug wird das erhitzte faserverstärkte Halbzeug eingelegt und dort umgeformt.
Nach der Umformung erstarrt der umgeformte Rohling in dem Umformwerkzeug 3, da dessen konstant geregelte Temperatur niedriger ist als die für die Umformung nötige Temperatur, auf welche das faserverstärkte Halbzeug zunächst in dem externen Ofen erhitzt wurde. Erreicht also der Rohling schließlich die mittels des Temperiermediumkreislaufs 15 eingestellte, konstante Werkzeugtemperatur, ist er erstarrt und nicht mehr umformbar. Während dieses Erstarrungsprozesses in einem dritten Schritt S3 bleibt das Umformwerkzeug 3 vorzugsweise geschlossen, wobei das Oberwerkzeug 7 und das Unterwerkzeug 9 maximal aufeinander zu in eine Schließstellung verlagert sind.
Vor dem nachfolgenden Prozessschritt wird nun bevorzugt das Temperiermedium, insbesondere Wasser, aus dem Werkzeug entfernt, weil es ansonsten bei der zur Veredelung vorgesehenen Temperaturerhöhung zum Sieden gebracht würde. Hierzu werden vorzugsweise die Ventile 33 derart betätigt, dass der Temperiermediumkreislauf 15 von dem Werkzeug getrennt wird, wobei die Druckluftversorgung 29 mit dem Werkzeug verbunden wird. Es ist dann möglich, das Temperiermedium, insbesondere Wasser, mittels der durch die Druckluftquelle 31 bereitgestellten Druckluft aus dem Werkzeug auszutreiben. Danach werden bevorzugt die Ventile 33 in eine Funktionsstellung gebracht, in der das Werkzeug von allen Kreisläufen einschließlich der Druckluftversorgung 29 getrennt ist.
Danach erfolgt in einem vierten Schritt S4 eine induktive Erwärmung der zu veredelnden Oberfläche des Rohlings. In dem vierten Schritt S4 findet keine dreidimensionale Verformung des Rohlings statt. Dieser verbleibt in dem Umformwerkzeug 3, welches nun als Veredelungswerkzeug 5 genutzt wird. Vorzugsweise ist das Werkzeug die ganze Zeit über in seiner Schließstellung angeordnet. Dabei bleibt besonders bevorzugt der Pressendruck oder Schließdruck des Presswerkzeugs bestehen. Der Rohling wird induktiv in einer dünnen Oberflächenschicht erwärmt, die dabei erweicht oder aufschmilzt und durch den Pressendruck veredelt beziehungsweise homogenisiert wird, wobei Oberflächenstörungen entfernt werden. Die Oberfläche des Rohlings wird mittels induktiven Heizens dabei vorzugsweise auf eine Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Matrixwerkstoffs, bei Polyamid bevorzugt auf eine Temperatur von etwa 220°C oder auch darüber, beispielsweise auf bis zu 260°C – erwärmt. Dabei erfolgt jedoch lediglich eine oberflächliche Erwärmung, sodass der Rohling insgesamt formstabil bleibt und lediglich die Oberfläche aufgeschmolzen und homogenisiert wird.
In einem fünften Schritt S5 wird zur Homogenisierung der behandelten Oberfläche die erreichte Temperatur eine vorherbestimmte Zeit gehalten, beispielsweise bevorzugt für 60 Sekunden, oder aber bevorzugt für mindestens 5 bis höchstens 10 Sekunden. In dieser Zeit wird unter dem Einfluss des bestehenden Pressendrucks die aufgeschmolzene oder erweichte Oberfläche geglättet, sodass Oberflächenstörungen möglichst vollständig entfernt werden.
Nach der Veredelung erfolgt in einem sechsten Schritt S6 ein kontrolliertes Abkühlen des durch Veredelung der Oberfläche entstandenen Bauteils, wobei vorzugsweise die Ventile 33 in eine Funktionsstellung gebracht werden, in welcher das Veredelungswerkzeug 5 mit dem Kühlkreislauf 19 verbunden ist. Bevorzugt erfolgt dabei eine Abkühlung auf eine Temperatur von mindestens 70°C bis höchstens 90°C, also insbesondere auf die zuvor beim Umformen eingestellte, konstante Werkzeugtemperatur. Das Kühlmedium des Kühlkreislaufs 19, insbesondere Prozesskühlwasser, ist allerdings bevorzugt sehr viel kälter, vorzugsweise weist es eine Vorlauftemperatur von mindestens 15°C bis höchstens 20°C, insbesondere von 17°C auf, sodass eine möglichst schnelle Kühlung nach Art einer Abschreckung der veredelten Oberfläche erfolgen kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass die oberflächlich erreichte Temperatur nicht weiter in das Material des veredelten Bauteils eindringt, wodurch gewährleistet wird, dass bei dem Veredeln lediglich die Oberfläche behandelt wird, wobei die tieferliegenden Bereiche des Rohlings beziehungsweise des Bauteils ihre starre Eigenschaft behalten.
Schließlich wird in einem siebten Schritt S7 das Werkzeug geöffnet, und das fertige, veredelte Bauteil wird entnommen.
Es zeigt sich, dass im Rahmen des Verfahrens eine variotherme Veredelung der Oberfläche durchgeführt wird, wobei die Temperatur in der Kavität 11 des Werkzeugs in definierter Weise variiert wird. Dabei erfolgt die Umformung des faserverstärkten Halbzeugs zunächst bei konstanter, relativ niedriger Werkzeugtemperatur, danach erfolgt eine rasche Erhitzung einer Oberfläche des umgeformten Rohlings, wobei schließlich nach einer Halte- beziehungsweise Homogenisierungszeit die erhitzte Oberfläche abgeschreckt wird, um eine Durchwärmung des gesamten Bauteils zu verhindern.
Nach Abschluss des Kühlens in dem sechsten Schritt S6 werden die Ventile 33 vorzugsweise wieder in eine Funktionsstellung gebracht, in welcher das Werkzeug mit dem Temperiermediumkreislauf 15 verbunden ist, sodass das Verfahren erneut beginnen kann. Da die Abschreckung oder Kühlung bevorzugt auf die konstante Grundtemperatur des Werkzeugs, welche durch den Temperiermediumkreislauf 15 vorgegeben wird, erfolgt, muss das Werkzeug nun vor einem Neubeginn des Verfahrens nicht erst wieder aufwändig erwärmt werden.
3 zeigt eine schematische Detailansicht des Oberwerkzeugs 7 der Werkzeuganordnung 1. Dabei zeigt sich, dass das Oberwerkzeug 7 von Kanälen 35 durchsetzt ist, welche der Durchleitung des Temperiermediums und bevorzugt auch der Druckluft zum Austreiben des Temperiermediums dienen. Die Kanäle 35 dienen außerdem vorzugsweise der Durchleitung des Prozesskühlmediums beim Kühlen in dem Schritt S6. Demnach stehen die Kanäle 35 vorzugsweise mit den Ventilen 33 in Fluidverbindung.
Außerdem weist das Oberwerkzeug 7 einen Induktor 37 auf, der hier in das Oberwerkzeug 7 eingebettet ist. Insbesondere weist der Induktor 37 eine Induktionsschleife 39 auf, die in hierfür geeigneten Ausnehmungen des Oberwerkzeugs 7 verlegt oder angeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass das Oberwerkzeug 7 zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein oberer Teil von einem unteren Teil trennbar ist, um die Induktionsschleife 39 in den unteren Teil einzulegen oder – beispielsweise zu Wartungszwecken – aus diesem zu entnehmen. Mittels des Induktors 37 kann das Oberwerkzeug 7 insbesondere im Bereich einer Wirkfläche 41 erhitzt werden, wobei es mit der Wirkfläche 41 an einer zu veredelnden Oberfläche des umgeformten Rohlings anliegt. Diese Oberfläche wird durch das erhitzte Oberwerkzeug 7 aufgeschmolzen und aufgrund des Pressendrucks oder Schließdrucks gegen die Wirkfläche 41 gedrängt, sodass sie homogenisiert und veredelt wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Details der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens. Dabei ist hier schematisch ein Ausschnitt eines Rohlings 43 in Querschnittansicht dargestellt, wobei der Rohling 43 eine zu veredelnde Oberfläche 45, einen innen liegenden Bereich mit einer Faserverstärkung 47 und eine außen liegende, die Oberfläche 45 aufweisende Schicht 49 mit reinem Matrixwerkstoff ohne Faserverstärkung aufweist. Zwischen dem Bereich mit der Faserverstärkung 47 und der Schicht 49 reinen Matrixwerkstoffs existiert eine gedachte Grenzfläche 51.
Mit einem großen Pfeil P₁ ist die Erwärmung des faserverstärkten Halbzeugs vor der Umformung – vorzugsweise in dem Ofen – dargestellt, welche der anschließenden Umformung dient. Dabei wird das faserverstärkte Halbzeug quasi tiefenerwärmt, wobei die Erwärmung bis in den Bereich der Faserverstärkung 47 eindringt und insbesondere die gesamte Tiefe des Halbzeugs erfasst, sodass dieses insgesamt erweicht und dreidimensional umformbar wird. Die Erwärmung in den nachfolgenden Veredelungsschritten, nämlich in den zuvor beschriebenen vierten und fünften Schritten S4 und S5, erfolgt – wie hier durch einen Pfeil P₂ dargestellt – derart, dass eine Eindringtiefe der Erwärmung maximal bis zu der Grenzfläche 51 reicht. Der Rohling 43 wird also beim Nachveredeln der Oberfläche 45 höchstens bis zu der Grenzfläche 51 erweicht oder aufgeschmolzen, sodass die Oberfläche 45 durch den Pressendruck homogenisiert und veredelt werden kann, ohne dass der Rohling 43 insgesamt seine starre Eigenschaft verliert. Es wird daher deutlich, dass während der Nachveredelung in den Schritten S4 und S5 keine Umformung des Rohlings 43 erfolgt. Lediglich oberflächlich werden Inhomogenitäten oder Oberflächenstörungen in der Oberfläche 45 beseitigt, indem diese quasi unter der Einwirkung des Pressendrucks verlaufen.
Der Pfeil P₂ stellt dabei insbesondere einen Temperaturverlauf in dem Rohling 43 dar, wobei eine auf Schmelz- oder Erweichungstemperatur erhitzte Zone lediglich bis zu der Grenzfläche 51 reicht, und wobei durch eine geeignete Haltezeit für die Homogenisierung und ferner durch ein geeignetes Abschrecken mittels des Kühlkreislaufs 19 sichergestellt wird, dass die Erweichungs- oder Schmelztemperatur-Zone nicht tiefer in den Rohling 51 eindringt als bis zu der Grenzfläche 51 – ausgehend von der Oberfläche 45.
5 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Werkzeuganordnung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Zusätzlich zu dem Umformwerkzeug 3, das bevorzugt auch als Veredelungswerkzeug 5 betreibbar ist, ist hier ein externer Ofen 53 dargestellt, indem ein faserverstärktes Halbzeug 55 vor seiner Umformung in dem Umformwerkzeug 3 erwärmbar ist. Bevorzugt weist der Ofen 53 eine Infrarotheizeinrichtung 57 sowie eine Ventilationseinrichtung 59 zur Erzeugung eines Luftstroms 61 in dem Ofen 53 auf. Weiterhin ist bevorzugt ein Steuergerät 63 zur Steuerung oder Regelung der Temperatur in dem Ofen 23 vorgesehen.
Das faserverstärkte Halbzeug 55 ist vorzugsweise mittels einer Transfereinrichtung 65 aus dem Ofen 53 entnehmbar und in das Umformwerkzeug 3 verlagerbar. Es ist möglich, dass das faserverstärkte Halbzeug 55, der umgeformte Rohling und später auch das Bauteil mit veredelter Oberfläche während des gesamten Verfahrens in einem Halterahmen angeordnet sind, der in einfacher Weise aus dem Ofen 53 entnehmbar und in das Werkzeug einlegbar ist, wobei er nach Durchführen des Verfahrens in ebenfalls einfacher Weise aus dem Werkzeug entnehmbar ist. Dies vereinfacht die Handhabung des faserverstärkten Halbzeugs beziehungsweise des Bauteils.
Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens und der Werkzeuganordnung 1 möglich ist, in sehr einfacher, kostengünstiger und schneller Weise werkzeugfallend faserverstärkte Bauteile herzustellen, die eine hohe Oberflächenqualität, insbesondere in Sichtqualität für Fahrzeug-Außenhaut- oder Fahrzeug-Interieur-Anwendungen aufweisen und hierfür bestehende Anforderungen erfüllen.
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

WO 2006/136743 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, mit folgenden Schritten: – Erwärmen eines faserverstärkten Halbzeugs (55); – Umformen des faserverstärkten Halbzeugs (55) in einem Umformwerkzeug (3) zu einem Rohling (43); – Erwärmen einer Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) in einem geschlossenen Veredelungswerkzeug (5), und – Beaufschlagen der erwärmten Oberfläche (45) in dem Veredelungswerkzeug (5) mit einem Druck zur Veredelung der Oberfläche (45).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Halbzeug (55) in einem Ofen (53) erwärmt und anschließend in das Umformwerkzeug (3) eingelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) in dem Veredelungswerkzeug (5) direkt oder indirekt induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe Werkzeug sowohl als Umformwerkzeug (3) als auch als Veredelungswerkzeug (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) derart erwärmt wird, dass eine Eindringtiefe der Erwärmung höchstens bis zu einer gedachten Grenzfläche (51) zwischen einer äußeren Schicht (49) reinen Matrixwerkstoffs und einer in den Matrixwerkstoff (49) eingebetteten Faserverstärkung (47) reicht.
Werkzeuganordnung (1) zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, mit – einem Umformwerkzeug (3), eingerichtet zum Umformen eines faserverstärkten Halbzeugs (55) zu einem Rohling (43), und – einem Veredelungswerkzeug (5), eingerichtet zum Veredeln einer Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43), wobei das Veredelungswerkzeug (5) eine induktive Heizeinrichtung (13) zur oberflächlichen Erwärmung einer Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) und eine Druckeinrichtung zur Beaufschlagung der erwärmten Oberfläche (45) mit einem Druck aufweist.
Werkzeuganordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (3) und/oder das Veredelungswerkzeug (5) einen Temperiermediumkreislauf (15) aufweist/aufweisen.
Werkzeuganordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganordnung (1) ein Werkzeug aufweist, das sowohl als Umformwerkzeug (3) als auch als Veredelungswerkzeug (5) ausgebildet ist.
Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer fertig bearbeiteten Oberfläche in Sichtqualität, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil frei ist von nach einem Umformschritt aufgetragenen Schichten eines Kunststoffs, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die fertig bearbeitete Oberfläche ungeschliffen ist.
Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff, hergestellt durch die folgenden Schritte: Erwärmen eines faserverstärkten Halbzeugs (55); Umformen des faserverstärkten Halbzeugs (55) zu einem umgeformten Rohling (43), und Veredeln einer Oberfläche (45) des umgeformten Rohlings (43) durch oberflächliches Erwärmen der Oberfläche (45) und Beaufschlagen der erwärmten Oberfläche (45) mit einem Druck.