DE102014102024A1

DE102014102024A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung einer Öffnung in einem Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102014102024A1
Application number: DE102014102024.3A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Georg Kaufmann Formenbau AG; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Georg Kaufmann Formenbau AG; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-08-20
Also published as: CN104842500B; CN104842500A; KR20150097406A; US20150231823A1; IN2015DE00214A; US9884454B2; KR102399785B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Öffnung an mindestens einem Bauteil (B) aus Faserverbundwerkstoff, wobei in einem ersten Schritt in das in ein Werkzeug (1; 20) eingelegte Bauteil (B) eine Öffnung (7) eingebracht wird und in einem zweiten Schritt eine im Nahbereich der Öffnung im gleichen Werkzeug (1; 20) ausgeformte Form (4; 27) mit Kunststoff befüllt wird, wodurch der Kunststoff eine Ummantelung (5, 26) um den die Öffnung (7) bildenden Randbereich des Bauteils (B) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Werkzeug zur Herstellung einer Öffnung in einem Faserverbundbauteil für die Verbindung mit einem zweiten, insbesondere metallischem Bauteil.
Insbesondere im Fahrzeugbau, hauptsächlich im Serienfahrzeugbau von Kraftfahrzeugen wird einerseits nach einer gewichtsgünstigen Konstruktion mit entsprechend dünnen bzw. mit geringen Gewicht ausgestatteten flächigen Bauteilen gesucht; andererseits müssen solche Bauteile neben ausreichender Stabilität auch hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Dementsprechend ist die Anbindung von Anbauteilen an solche flächigen Bauteile – z. B. an Metallbleche oder an sogenannte Organobleche, wie beispielsweise Achsbauteile, Scharniere bzw. Schlösser für Türen, Klappen und Hauben relativ schwierig, um gleichzeitig geringes Gewicht und hohe Stabilität bei bester Korrosionsbeständigkeit erreichen zu können. Insbesondere sind auch Verbindungen zwischen Rohbauteilen oder Karosseriestrukturenn gemeint, bei denen zum Beispiel ein Bauteil aus Organoblech und das zweite Bauteil aus Aluminium besteht.
Aus dem Stand der Technik sind dementsprechend eine Vielzahl von Vorschlägen bekannt geworden, die sich mit der Herstellung und dem Aufbau solcher Hybrid-Konstruktionen befassen. DE 600 09 021 T2 und EP 0 721 831 B1 beschreiben Verfahren und Vorrichtungen zum Zusammenbau von zwei Metallblechen mittels Ein- bzw. Umspritzen mit Kunststoffmaterial, wobei gleichzeitig über eine Umformung der Bleche in der Spritzform eine stabile Verbindung zu erreichen gesucht wird.
DE 10 2010 053 960 A1 und US 2011/0031643 A1 beschreiben Verfahren zum faserschonenden Einbringen von Einsatzteilen in Bleche, z. B. Organobleche.
Dabei soll das Einsatzteil mit einem Werkzeugdorn unter Erwärmung in das Karosseriebauteil eingebracht werden. In der DE 10 2010 053 960 A1 wird das Einsatzteil zusätzlich mit Kunststoff umspritzt.
US 4,860,425 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von zwei metallischen Blechen, die zu ihrer Verbindung mit einem Stempel gelocht und nach der Lochung mit Kunststoff komplett umspritzt werden.
US 4,956,139 beschreibt die Anbringung eines Kunststoffpins an einem Metallblech mittels eines das Blech verformernden Dorns und anschließender Umspritzung der verformten Stelle mittels Kunststoff.
Die Dokumente GB 1,075,702 , US 2,648,177 , US 3,354,510 , US 3,800,483 und US 4,774,788 zeigen Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Erzeugung von hülsenartigen Bauteilen, bei denen die Hülsenöffnung mit Kunststoff umspritzt ist.
Schließlich offenbart die DE 693 15 172 T2 ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltkreisen durch das Einbringen von metallischen Einlagen in ein Kunststoffbauteil. Dabei werden die in ein Werkzeug eingelegten metallischen Bauteile zur elektrischen Trennung der Schaltkreise mit einem oder mehreren Stempeln vorgelocht und danach bei zurückgefahrenen Stempeln mit Kunststoff umspritzt.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein entsprechendes Werkzeug zu schaffen, das zur einfachen und kostengünstigen Herstellung einer Öffnung in einem Faserverbundbauteil für die Verbindung mit einem zweiten, insbesondere metallischem Bauteil geeignet ist.
Diese vorstehende Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt in das in ein Werkzeug eingelegte Faserverbundbauteil eine Öffnung eingebracht wird. In einem zweiten Schritt wird eine im Nahbereich der Öffnung im gleichen Werkzeug ausgeformte Form mit Kunststoff befüllt, wodurch der Kunststoff eine Schicht um den die Öffnung bildenden Randbereich des Faserverbundbauteils bildet. Es erfolgt sozusagen ein Umspritzen bzw. Umgießen der durch die Nadel eingebrachten Öffnung, so dass ein Ausfasern des Randbereichs der Öffnung verhindert wird.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Ausübung des vorstehend genannten Verfahrens ergibt sich dann, wenn das Faserverbundbauteil in ein Werkzeug zwischen einem Stempel und einer Matrize eingelegt wird und im Werkzeug eine der Öffnungskontur entsprechende, im Wesentlichen senkrecht zum Faserverbundbauteil ausgerichtete Nadel in das Faserverbundbauteil bewegt wird. Dadurch wird die Öffnung nach und nach durch Aufweiten bzw. Verdrängen der umliegenden Faserstruktur gebildet, ohne dass die Fasern zu stark geschädigt werden.
Vorzugsweise weist die Nadel über ihre Länge zwei Absätze auf, die sich in ihrer Breitenerstreckung voneinander unterscheiden. Der Absatz mit geringerer Breitenerstreckung entspricht der letztlich gewünschten Öffnung; der Absatz mit der der größeren Breitenerstreckung entspricht der Öffnung, die benötigt wird, um die umspritzte Kunststoffschicht zu erzeugen. Der Unterschied zwischen den beiden Absätzen der Nadel entspricht insoweit dem Spalt, der erzeugt und im zweiten Verfahrensschritt mit Kunststoff gefüllt wird.
Dabei kann die bewegbare Nadel in der Matrize oder im Stempel verschieblich gelagert sein, um die genannten Absätze der Nadel in Wirkstellung zu bringen.
Im Stempel kann mindestens eine für das Einspritzen/Eingießen des Kunststoffs mit der im Werkzeug ausgeformten Form verbundene Zuführbohrung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Nadel in ihren Abmessungen mit den mit ihr korrespondierenden Öffnungen im Stempel und/oder in der Matrize so ausgeformt, dass Nadel und Matrize bzw. Stempel gleichzeitig die abdichtende Form bilden.
Stempel, Matrize und/oder Nadel können für die Einbringung der Öffnung mechanisch oder hydraulisch bewegbar sein.
Das Bauteil, welches gemäß dem vorgenannten Verfahren bzw. dem vorgenannten Werkzeug entsteht, weist insoweit eine Öffnung auf, die zur Aufnahme von Befestigungsmitteln geeignet ist. Der die Öffnung bildende Randbereich ist dabei derart von Kunststoff umgeben, dass kein Ausfasern des Faserverbundbauteils mehr möglich ist. Zugleich wird dadurch wirksam Korrosion unterbunden.
Es versteht sich von selbst, dass das Verfahren nach der Erfindung grundsätzlich mit allen bekannten thermoplastischen Kunststoffen bzw. Kunststoffmischungen durchgeführt werden kann.
Es versteht sich weiter von selbst, dass zur Durchführung des Verfahrens eine präzise Fixierung der flächigen Bauteile im Werkzeug zwischen Stempel und Matrize vorzusehen ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung im Einzelnen näher beschrieben.
Es zeigt:
1 ein Werkzeug zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,
2 das Werkzeug nach 1 in einer zweiten Verfahrensstellung,
3 das Werkzeug nach 1 in einer dritten Verfahrensstellung,
4 eine zweite Ausführungsform eines Werkzeugs zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung in einer ersten Verfahrensstellung,
5 das Werkzeug nach 4 in einer zweiten Verfahrensstellung sowie
6 das Werkzeug nach 4 in einer dritten Verfahrensstellung.
Das Werkzeug 1 in den 1 bis 3 besteht aus einem Stempel 2 und einer Matrize 3. Zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung wird in das Werkzeug 1, wie in 1 gezeigt, ein Faserverbundbauteil B eingelegt und dort fixiert. Im gegenüber der Matrize 3 bewegbaren Stempel 2 ist eine Form 4 ausgeformt, die der Kontur der gewünschten Ummantelung 5 der Öffnung 7 entspricht.
In dem im Wesentlichen senkrecht auf die Matrize 3 zu beweglichen Stempel 2 ist eine Nadel 6, ebenfalls im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf das flächige Faserverbundbauteil B bzw. auf die Matrize 3 bewegbar, angeordnet.
Die Nadel 6 weist einen ersten Nadelabsatz 6.1, der dem letztlich gewünschten Öffnungsdurchmesser bzw. deren Öffnungskontur, also dem Öffnungsquerschnitt der ummantelten Öffnung 7.1 entspricht. Dieser Nadelabsatz 6.1 geht über einen Absatz 8 in einen zweiten Nadelabsatz 6.2 über, der in seiner Kontur bzw. seinem Durchmesser, also dem Öffnungsquerschnitt der Öffnung 7.2 entspricht, die notwendig ist, um einen Spalt zu erzeugen, der im nächsten Schritt mit Kunststoff gefüllt wird. Die Differenz zwischen den beiden Nadelabsätzen entspricht also der Kunststoffschicht, die den Randbereich der Öffnung 7 ummantelt. Ein weiterer Absatz 9 an der Nadel 6 dient der Abdichtung (s. 3) beim Einbringen des Kunststoffs.
2 zeigt den Verfahrensschritt bei dem die Nadel 6 bis zum Anschlag des Absatzes 9 in das Faserverbundbauteil B verfahren wurde. In dem Faserverbundbauteil B ist jetzt die Öffnung 7.2 gebildet worden. Nach Abschluss dieses Verfahrensschritts nach 2 wird die Nadel mechanisch oder hydraulisch in die in 3 gezeigte Position in den Stempel 2 zurückgezogen und insoweit der Nadelabsatz 6.1 in Wirkstellung gebracht. Jetzt kann über die Zuführbohrung 10 im Stempel 2 Kunststoff eingebracht (eingespritzt) – vorzugsweise erhitzt – werden, der die Form 4 und die durch den Nadelbereich 6.2 gebildete Öffnung im Faserverbundbauteil B zur Bildung der Ummantelung 5 komplett ausfüllt. Damit wird der Randbereich der Öffnung 7.2 sozusagen abgedichtet.
Die 4, 5 und 6 zeigen einen alternativen Aufbau des Werkzeugs 20. Auch dieses Werkzeug besteht aus einem Stempel 21 und einer Matrize 22. Allerdings ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 die bewegliche Nadel 23 nicht im Stempel 21, sondern in der Matrize 22 gelagert. In einem weiteren Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 wird das Faserverbundbauteil B nicht auf die Matrize aufgelegt und fixiert, sondern mit dem auf die Matrize 22 zu bewegbaren Stempel 21 auf die Matrize 22 zubewegt. Ansonsten ist der Verfahrensablauf im Wesentlichen übereinstimmend mit dem Verfahrensablauf, wie er anhand der 1 bis 3 vorstehend beschrieben worden ist. Sobald die Öffnungen im flächigen Bauteil B mittels der Nadel 23 gebildet sind (5), wird die Nadel aus der Öffnung im flächigen Bauteil B zurückgezogen, und zwar nur soweit, dass ihr Absatz 24 die Öffnung dicht abschließt, so dass durch Einbringung von erhitztem Kunststoff über die Zuführbohrungen 25 die Ummantelung 26 in der im Stempel 21 ausgebildeten Form 27, inklusive Abdeckung der Öffnungswandungen ausgeformt werden kann.
Zur Entnahme des Faserverbundbauteils B zusammen mit der Ummantelung 5 bzw. 26 wird der Stempel 2 bzw. 21 und die Nadel 6 bzw. 23 entsprechend zurückgefahren.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die Form 4 bzw. 27 wie auch die durch die Absätze 8 bzw. 24 gebildeten erweiterten Öffnungen in jeder beliebigen konstruktiv erforderlichen Form vorgesehen werden können. Selbstverständlich können auch sowohl im Stempel als auch in der Matrize Formen zum Einspritzen von Kunststoff vorgesehen werden, so dass das ausgeformte Kunststoffbauteil nicht nur die Öffnung und lediglich eine Seite des flächigen Bauteils abdeckt, sondern auch beidseits um die Öffnung zum flächigen Bauteil B Ausformungen vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60009021 T2 [0003]
EP 0721831 B1 [0003]
DE 102010053960 A1 [0004, 0005]
US 2011/0031643 A1 [0004]
US 4860425 [0006]
US 4956139 [0007]
GB 1075702 [0008]
US 2648177 [0008]
US 3354510 [0008]
US 3800483 [0008]
US 4774788 [0008]
DE 69315172 T2 [0009]

Claims

Verfahren zum Einbringen einer Öffnung an mindestens einem Bauteil (B) aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt in das in ein Werkzeug (1; 20) eingelegte Bauteil (B) eine Öffnung (7) eingebracht wird und in einem zweiten Schritt eine im Nahbereich der Öffnung im gleichen Werkzeug (1; 20) ausgeformte Form (4; 27) mit Kunststoff befüllt wird, wodurch der Kunststoff eine Ummantelung (5, 26) um den die Öffnung (7) bildenden Randbereich des Bauteils (B) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (B) in ein Werkzeug (1; 20) zwischen einem Stempel (2; 21) und einer Matrize (3; 22) eingelegt wird und im Werkzeug (1; 20) mittels einer der im Wesentlichen senkrecht zum flächigen Bauteil (B) bewegbaren Nadel (6; 23) die Einbringung der Öffnung (7) in das Bauteil (B) vorgenommen wird.
Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (6, 23) über ihre Länge zwei Absätze aufweist, die sich in ihrer Breitenerstreckung voneinander unterscheiden.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Nadel (6; 23) in der Matrize (22) verschiebbar gelagert ist.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Nadel (6) im Stempel (2) verschiebbar gelagert ist.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Stempel (2) mindestens eine für das Einspritzen/Eingießen des Kunststoffs mit der im Werkzeug ausgeformten Form (4; 27) verbundene Zuführung (10; 25) vorgesehen ist.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (6; 23) in ihren Abmessungen mit den mit ihr korrespondierenden Öffnungen im Stempel (2; 21) und/oder in der Matrize (3; 22) so ausgeformt ist, dass Nadel (6; 23) und Matrize (3; 22) bzw. Stempel (2; 21) gleichzeitig die abdichtende Form für das Einbringen des Kunststoffs bilden.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Nadel (6; 23) bzw. Stempel (2; 21) und/oder Matrize (3; 22) mechanisch bewegbar sind.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das Stempel (2; 21) und/oder Matrize (3; 22) bzw. Nadel (6; 23) hydraulisch bewegbar sind.
Bauteil aus Faserverbundwerkstoff mit einer Öffnung zur Befestigung an anderen Bauteilen, wobei der die Öffnung (7) bildende Randbereich von einer Kunststoffschicht umgeben ist.