DE102015114604B4

DE102015114604B4 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102015114604B4
Application number: DE102015114604.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Bonten; Kai Landsecker
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: DE102015114604A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus Kunststoff, wobei ein plattenförmiges Halbzeug (2) in einem Umformwerkzeug (5) mittels Thermoformen umgeformt wird, wobei ein Anbauteil (3) mittels 3D-Drucken erzeugt wird, und wobei das Anbauteil (3) durch die bei dem 3D-Drucken entstehende Wärme während des Erzeugens des Anbauteils (3) außerhalb des Umformwerkzeugs (5) mit dem Halbzeug (2) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Kunststoff mittels Thermoformen.
Bei dem aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Verfahren des Thermoformens werden zumeist flächige, aus einem thermoplastischen Material bestehende Halbzeuge, wie beispielsweise Folien oder Platten, bis in den thermoelastischen Zustand hinein erwärmt und anschließend mechanisch und/oder durch das Aufbringen einer Druckdifferenz zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Halbzeugs zu einem dreidimensionalen Formteil umgeformt. Hierbei ist eine Positiv- und eine Negativumformung möglich.
Obwohl das Thermoformen sehr viele Vorteile bietet, besteht ein Nachteil dieses Verfahrens darin, dass die auf diese Weise herstellbaren Formteile überwiegend becher- oder schalenförmig sind und nur mit einer verhältnismäßig geringen Komplexität ausgeführt werden können. Deshalb ist auch die Integration von Funktionsteilen, wie beispielsweise Haken oder Schraubdomen, oder Versteifungselementen in ein Thermoformteil nicht möglich. Auch Rippen oder dergleichen können beim Thermoformen nicht hergestellt werden. Aus diesem Grund finden technische Thermoformteile insbesondere Anwendung als einfache Gehäuse oder Verkleidungsteile in Fahrzeugen.
Üblicherweise wird zur Herstellung von komplexeren Bauteilen daher ein Spritzgießverfahren eingesetzt, zumal bei mittels Thermoformen hergestellten Bauteilen die nachträgliche Montage von Anbauteilen aller Art, wie beispielsweise Verbindungs- oder Versteifungselementen, zum einen weitere Vorrichtungen und zum anderen einen erhöhten Personalaufwand erfordert und daher mit sehr hohen Kosten verbunden ist.
Der Nachteil des Spritzgießverfahrens besteht jedoch darin, dass aufgrund der beim Spritzgießen notwendigen, sehr hohen und durch das Spritzgießwerkzeug aufzunehmenden Drücke insbesondere bei großen Bauteilen die zur Durchführung des Spritzgießverfahrens erforderlichen Werkzeuge meist sehr groß und damit entsprechend teuer sind.
Auch bei der ebenfalls mit Spritzgießwerkzeugen durchgeführten Hinterspritztechnik, bei der zunächst aus einer Folie ein Thermoformteil erstellt, in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit Kunststoffschmelze hinterspritzt wird, sind bei großflächigen Formteilen große und sehr aufwändige Werkzeuge erforderlich.
Aus der JP H08 229 977 A ist ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils bekannt, bei dem in einer Vakuumform ein Kernmaterial mit einem Umhüllungsmaterial versehen und gleichzeitig ein geschmolzener, mittels einer Extrudiervorrichtung ausgegebener Kunststoff erzeugt und an dem Kernmaterial angeschweißt wird. Problematisch ist jedoch die hohe Komplexität dieses Verfahrens, da das Ausgeben des geschmolzenen Kunststoffmaterials und die Verbindung desselben innerhalb der Vakuumform erfolgt.
In der US 5 196 151 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Materials auf Schaumstoffbasis beschrieben. Dabei wird während des Herstellens des Schaumstoffteils ein Einsatzteil an demselben angebracht.
Aus der WO 2010/051866 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einer Dekoroberfläche bekannt, bei dem das Formwerkzeug mittels eines konturnahen Heizelements aufgeheizt wird.
Die EP 2 081 745 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines wärmebeständigen Schaumformkörpers.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Kunststoff zu schaffen, das in der Lage ist, mit dem grundsätzlichen Verfahren des Thermoformens auch aufwändigere Bauteile mit einem oder mehreren Anbauteilen zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die Kombination zweier vollkommen unterschiedlicher Verfahrensschritte eine kostengünstige und schnelle Produktion gehäuseartiger Bauteile mit großer Oberflächenqualität an einer Seite, insbesondere der Außenseite, und in vielfältiger Weise ausführbaren Funktionselementen an der anderen Seite, insbesondere im Inneren des Bauteils. Dabei werden durch die formlose Formgebung der Anbauteile mittels des generativen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen 3D-Druckens bisherige Restriktionen hinsichtlich des Bauteils aus der spritzgießgerechten Konstruktion aufgelöst, wodurch sich ein großes Einsparpotenzial bzw. zusätzliche Integrationsmöglichkeiten bestimmter Funktionen ergeben. Mittels des 3D-Druckens können beispielsweise auch derartige Hinterschneidungen hergestellt werden, die mit anderen Verfahren nicht oder nur mit äußerst großem Aufwand erzeugt werden können.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, die unterschiedlichsten Funktionselemente sehr viel einfacher an dem Halbzeug anzubringen als dies mit den bekannten Verfahren möglich ist, wodurch das Thermoformen beispielsweise gegenüber dem Spritzgießverfahren erheblich konkurrenzfähiger wird und eine wirtschaftliche Alternative bei der Herstellung gehäuseartiger Produkte bieten kann. Beispielsweise lassen sich Spiegelgehäuse, Türverkleidungen oder Stoßfänger für Kraftfahrzeuge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen. Gegenüber dem Spritzgießverfahren liegt ein weiterer großer Vorteil darin, dass die Umformdrücke beim Thermoformen wesentlich geringer sind, so dass eine erhebliche Energieeinsparung möglich ist.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung des 3D-Druckens besteht darin, dass auf diese Weise auch komplexere Anbauteile hergestellt werden können, die dann unmittelbar mit dem Halbzeug verbunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei die bei dem 3D-Drucken entstehende Wärme zur Verbindung des Anbauteils mit dem Halbzeug, so dass hierfür, im Gegensatz zu den Lösungen gemäß dem Stand der Technik, keine zusätzlichen Verfahrensschritte notwendig sind. Vielmehr ergibt sich auf sehr einfache Weise eine unmittelbare Verbindung des Anbauteils mit dem Halbzeug.
Des Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit jedem Produktionsteil möglich, einen Farb- bzw. Dekorwechsel, jedoch auch einen Gestaltwechsel der Innenseite des Bauteils vorzunehmen, wodurch die Produktion wesentlich flexibilisiert wird.
Der Begriff „generatives Verfahren“ wird hierin als Oberbegriff für eine Fertigung aus formlosem oder form neutralem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung des Anbauteils das 3D-Drucken eingesetzt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Anbauteil vor dem Umformen des Halbzeugs mit dem Halbzeug verbunden wird. Dabei kann das Anbauteil auf dem nicht umgeformten Halbzeug so angebracht werden, dass es sich nach dem Thermoformen an der gewünschten Stelle befindet. Der Ort der Anbringung sowie die Form des Anbauteils kann mit Hilfe geeigneter Simulationen errechnet werden.
Eine alternative Möglichkeit zur Verbindung des Anbauteils mit dem Halbzeug ergibt sich, wenn das Anbauteil nach dem Umformen des Halbzeugs mit dem Halbzeug verbunden wird. Auf diese Weise ist eine sehr exakte Positionierung des Anbauteils auf dem Halbzeug gewährleistet, um so das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bauteil zu bilden.
Obwohl durch das 3D-Drucken eine gewisse Wärme in das Halbzeug eingebracht wird, die üblicherweise zum Verbinden des Anbauteils mit dem Halbzeug ausreicht, kann vorgesehen sein, dass das Halbzeug vor dem Thermoformen erwärmt wird. Durch eine solche lokale Erwärmung der Fügestelle ist eine zusätzliche Absicherung für das Verfahren zur Herstellung des Bauteils aus Kunststoff gegeben.
Alternativ oder zusätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass das Halbzeug während des Verbindens mit dem Anbauteil erwärmt wird. Auch auf diese Weise kann gegebenenfalls die Prozesssicherheit für das erfindungsgemäße Verfahren erhöht werden.
Um eine verbesserte Produktionskapazität zu erzielen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen sein, dass das Halbzeug in endloser Form zu dem Thermoformen zugeführt wird und nach dem Thermoformen in das Bauteil vereinzelt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass das Halbzeug vor dem Thermoformen durch Koextrusion aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffmaterialien hergestellt wird. Dies ermöglicht die Erzeugung sehr hochwertiger Bauteile, die insbesondere eine hohe Oberflächenqualität aufweisen. Des Weiteren kann auf diese Weise auf Kaschieren, Lackieren oder ähnliche Verfahrensschritte verzichtet werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:

1 einen ersten Schritt bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein mit dem Verfahrensschritt aus 1 hergestelltes Halbzeug;
3 einen zweiten Schritt bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein mit dem Verfahrensschritt aus 3 hergestelltes Bauteil;
5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
7 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines in 4 dargestellten Bauteils 1 aus Kunststoff. Dabei wird an ein plattenförmiges Halbzeug 2 mittels eines generativen Verfahrens, hier mittels 3D-Drucken, ein Anbauteil 3 angebracht. Das Anbauteil 3 wird mittels einer geeigneten Einrichtung 4 zur generativen Erzeugung des Anbauteils 3 erzeugt. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei der Einrichtung 4 um einen 3D-Drucker, mit dem das Anbauteil 3 mittels 3D-Drucken hergestellt werden kann. Während 1 einen Schritt zur Erzeugung des Anbauteils 3 zeigt, ist ein weiteres Anbauteil 3 bereits mittels eines generativen Verfahrens fertiggestellt und mit dem Halbzeug 2 verbunden worden.
Bei dem 3D-Druck entsteht Wärme, die bei dem hierin beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Bauteils 1 dazu genutzt wird, das Anbauteil 3 während des Erzeugens desselben mit dem Halbzeug 2 zu verbinden. Dabei schmilzt das Halbzeug 2 in dem Bereich, in dem das Anbauteil 3 an demselben angebracht wird, teilweise auf, was zu einer sehr dauerhaften Verbindung des Anbauteils 3 mit dem Halbzeug 2 führt. Das Anbauteil 3 befindet sich bei seiner Anbringung in einem zähflüssigen bzw. geschmolzenen Zustand, so dass es sich, wie erläutert, einfacher mit dem Halbzeug 2 verbindet. Diese Einbringung von Wärme mittels des 3D-Druckens hat den weiteren Vorteil, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Halbzeug 2 und dem Anbauteil 3 verringert wird. Dadurch ergibt sich eine bessere Verbindung zwischen dem Anbauteil 3 und dem Halbzeug 2.
2 zeigt das Halbzeug 2, an dem die beiden Anbauteile 3 angebracht wurden. Selbstverständlich könnte auch eine andere Anzahl an Anbauteilen 3 an dem Halbzeug 2 angebracht werden. Des Weiteren könnten die Anbauteile 3 bzw. das wenigstens eine Anbauteil 3 die unterschiedlichsten Formen aufweisen. Bei dem wenigstens einen Anbauteil 3 handelt es sich um ein Funktionsteil, beispielsweise um einen Schnapphaken, das bei dem Bauteil 1 dazu dient, dasselbe an einer anderen Struktur anzubringen. Selbstverständlich sind auch andere Funktionen für das wenigstens eine Anbauteil 3 denkbar. Neben Schnapphaken kommen beispielsweise auch Schraubdome oder Verrippungen als Anbauteile 3 in Frage. Selbstverständlich können die Anbauteile 3 auch wesentlich komplexer ausgeführt sein als in den Figuren dargestellt.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist in 3 dargestellt. Hierbei wird das Halbzeug 2 in einem Umformwerkzeug 5 mittels Thermoformen umgeformt, um das in 4 dargestellte, fertige Bauteil 1 zu bilden. Beim Thermoformen kann sowohl eine Negativumformung als auch eine Positivumformung des Halbzeugs 2 durchgeführt werden.
Da nach dem Anbringen der Anbauteile 3 an dem Halbzeug 2 noch ein weiterer Schritt erfolgt, bis das fertige, in 4 dargestellte Bauteil 1 erzeugt ist, wird das Halbzeug 2 auch nach dem Anbringen der beiden Anbauteile 3 noch als Halbzeug 2 bezeichnet.
Bei der Ausführungsform des Verfahrens gemäß den 1 bis 4 wird das Anbauteil 3 also vor dem Umformen des Halbzeugs 2 mit demselben verbunden.
Dies ist auch bei der Ausführungsform von 5 der Fall, bei der im Unterschied zu der Ausführungsform der 1 bis 4 das Halbzeug 2 in endloser Form zu dem Thermoformen zugeführt und nach dem Thermoformen in das Bauteil 1 vereinzelt wird. Zur Vereinzelung der Bauteile 1 kann in das Umformwerkzeug 5 eine geeignete Schneideinrichtung integriert werden. Des Weiteren ist bei der Ausführungsform von 5 eine Heizeinrichtung 6 dargestellt, mit der das Halbzeug 2 vor dem Zuführen zu dem Umformwerkzeug 5 erwärmt wird. Die Heizeinrichtung kann auch als lokale Heizeinrichtung zum Erwärmen des Halbzeugs 2 zur Unterstützung des oben erläuterten Anbringens des Anbauteils 3 ausgeführt sein. In nicht dargestellter Weise könnte auch eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, mit der das Halbzeug 2 vor dem Thermoformen und/oder während des Verbindens des Halbzeugs 2 mit dem Anbauteil 3 erwärmt werden könnte.
Bei der Ausführungsform von 5 kann das Erzeugen des Anbauteils 3 als Inline-Druckprozess ausgeführt werden, bei dem parallel zu der Thermoformung eines Abschnitts des rollenartig zugeführten Halbzeugs 2 in einem anderen Abschnitt des Halbzeugs 2 das wenigstens eine Anbauteil 3 angebracht wird. Ein solcher Aufbau im Inline-Druckprozess eignet sich besonders für die Verarbeitung von Rollenware sowie von Inline-extrudierter Folie. In diesem Zusammenhang wird auch eine Rollenware bzw. eine Inline-extrudierte Folie als ein plattenartiges Halbzeug 2 angesehen.
Das Anbauteil 3 kann während der Bewegung des Halbzeugs 2 auf dasselbe aufgebracht werden. Hierzu kann eine Koppelung der Bewegung des Halbzeugs 2 und der Einrichtung 4 zur generativen Erzeugung des Anbauteils 3 vorgesehen sein. Möglicherweise kann das Anbauteil 3 bei einem solchen Inline-Verfahren auch zu einem Zeitpunkt an einen Abschnitt das Halbzeug 2 angebracht werden, während sich das Halbzeug 2 in einer Stillstandsphase befindet, in der sich ein anderer Abschnitt des Halbzeugs in dem Umformwerkzeug 5 befindet und an diesem Abschnitt das Thermoformen durchgeführt wird.
Die Ausführungsform des Verfahrens gemäß 6 ist sehr ähnlich zu derjenigen gemäß der 1 bis 4, wobei im Unterschied dazu wiederum die bereits in 5 dargestellte Heizeinrichtung 6 vorgesehen ist, mit der das Halbzeug 2 vor dem Zuführen desselben zu dem Umformwerkzeug 5 erwärmt wird. Im Unterschied zu der Ausführungsform von 5 wird hierbei das Halbzeug 2 einzeln und in Plattenform zu dem Umformwerkzeug 5 zugeführt.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zeigt 7. Hierbei wird in einem ersten Schritt das plattenförmige Halbzeug 2 mittels der Heizeinrichtung 6 erwärmt, wobei im vorliegenden Fall beidseits des Halbzeugs 2 eine jeweilige Heizeinrichtung 6 vorgesehen ist. Die beiden Heizeinrichtungen 6 können auch als ein Umluftofen ausgebildet sein, in dem sich das Halbzeug 2 befindet. Anschließend wird in dem Umformwerkzeug 5 die Thermoformung des Halbzeugs 2 durchgeführt. Nach dem Thermoformen wird das Anbauteil 3 bzw. werden die beiden Anbauteile 3 mittels des 3D-Druckens an dem Halbzeug 2 angebracht, so dass wiederum das Bauteil 1 entsteht. Auch bei dieser Ausführungsform, bei der das Anbauteil 3 also nach dem Umformen des Halbzeugs 2 mit demselben verbunden wird, wird die bei dem 3D-Drucken entstehende Wärme genutzt, um während des Erzeugens des Anbauteils 3 dasselbe mit dem Halbzeug 2 zu verbinden.
Der Druck der Anbauteile 3 im vor- oder nachgeschalteten Verarbeitungsprozess, wie in den 1 bis 4, 6 und 7 dargestellt, eignet sich besonders bei der Verarbeitung von Plattenhalbzeugen.
Vorzugsweise wird das Anbauteil 3 bzw. werden die Anbauteile 3 also bei keiner der Ausführungsformen innerhalb des Umformwerkzeugs 5 an das Halbzeug 2 angebracht, was das Verfahren wesentlich vereinfacht.
Das zur Herstellung des Halbzeugs 2 bestehende Material kann im Prinzip jedes beliebige Kunststoffmaterial sein. Um besonders hochwertige Bauteile zu erzeugen, kann das Halbzeug 2 vor dem Thermoformen durch Koextrusion aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffmaterialien hergestellt sein. Vorzugsweise wird für das Anbauteil 3 ein ähnlicher Kunststoff wie für das Halbzeug 2 eingesetzt, so dass eine sichere Verbindung der verwendeten Materialien gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus Kunststoff, wobei ein plattenförmiges Halbzeug (2) in einem Umformwerkzeug (5) mittels Thermoformen umgeformt wird, wobei ein Anbauteil (3) mittels 3D-Drucken erzeugt wird, und wobei das Anbauteil (3) durch die bei dem 3D-Drucken entstehende Wärme während des Erzeugens des Anbauteils (3) außerhalb des Umformwerkzeugs (5) mit dem Halbzeug (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (3) vor dem Umformen des Halbzeugs (2) mit dem Halbzeug (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (3) nach dem Umformen des Halbzeugs (2) mit dem Halbzeug (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, dass das Halbzeug (2) vor dem Thermoformen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass das Halbzeug (2) während des Verbindens mit dem Anbauteil (3) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass das Halbzeug (2) in endloser Form zu dem Thermoformen zugeführt wird und nach dem Thermoformen in das Bauteil (1) vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, dass das Halbzeug (2) vor dem Thermoformen durch Koextrusion aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffmaterialien hergestellt wird.