DE102016100947A1

DE102016100947A1 - Kunststoffverbundbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016100947A1
Application number: DE102016100947.4A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Böckmann; Frank Schockemöhle
Original assignee: Poeppelmann Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Poeppelmann Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils (28), insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, welches mittels eines Fasern enthaltenen Flächenelements (19) hergestellt wird, an dem zumindest bereichsweise zusätzlicher Kunststoff angeordnet und das im Thermoformverfahren geformt wird, wobei das Flächenelement (19) aus einer im Extrusionsverfahren hergestellten Folie (2) erzeugt und in dem Thermoformverfahren zumindest vorgeformt wird, und an welches anschließend insbesondere in einer Spritzgießvorrichtung (22) der Kunststoff angespritzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kunststoffverbundbauteil umfassend ein Flächenelement (19), an dem zumindest bereichsweise ein Kunststoff angeordnet ist, wobei das Flächenelement (19) durch eine faserverstärkte Folie (2) ausgebildet ist, an die zumindest abschnittsweise ein thermoplastischer Kunststoff angespritzt ist, wobei das Kunststoffverbundbauteil (28) insbesondere durch ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, welches mittels eines Fasern enthaltenen Flächenelements hergestellt wird, an dem zumindest bereichsweise zusätzlicher Kunststoff angeordnet und das im Thermoformverfahren (Warmumformung) geformt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kunststoffverbundbauteil, welches ein Flächenelement aufweist, an dem zumindest bereichsweise ein Kunststoff angeordnet ist.
In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Organobleche verwendet, die Metallbleche ersetzen sollen. Ein Organoblech ist ein flächiges Faser-Matrix-Halbzeug, bei dem ein aus Endlosfasern bestehendes Gewebe und/oder Gelege in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet ist, die auf das Gelege aufkaschiert ist. Aus der DE 10 2013 213 711 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für Kraftfahrzeuge aus einem Organoblech bekannt, bei dem Teile eines Organoblechs zwecks Ausbildung einer besonderen Funktionalität, z. B. für eine höhere Belastung oder für die Herstellung funktionaler Abschnitte, stärker strukturiert oder einer besonderen thermischen Behandlung unterzogen werden.
Die Produktion der Organobleche ist kostenintensiv, wobei die Herstellung des Halbzeugs, die Konfektionierung von Zuschnitten und die Weiterverarbeitung der Zuschnitte zu Strukturbauteilen von unterschiedlichen Unternehmen und somit lokal getrennt durchgeführt werden.
Aus der DE 10 2007 013 549 A1 ist darüber hinaus ein Kunststoffverbundbauteil bekannt, welches als Türmodul bei einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Das Türmodul umfasst eine flexible Folie aus einem vorzugsweise reißfesten, witterungsbeständigen Kunststoff, über den eine Trennung von Trocken- und Feuchträumen in der Tür erfolgen kann. Zum Aufspannen der Folie wird eine aus einem insbesondere faserverstärkten Kunststoff aufgebaute, vorzugsweise gespritzte, Tragstruktur verwendet. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Struktur aus einem thermoplastischen Kunststoff, der mittels bekannter Spritzgießverfahren verarbeitet werden kann. Bei einem solchen Türmodul können bereits kleinere Beschädigungen der Folie die Funktion des Moduls stark beeinträchtigen. Gleichzeitig baut die Tragstruktur vergleichsweise groß, denn die Folie trägt zur Tragfähigkeit des Türmodul nichts bei.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kunststoffverbundbauteil, welches als Ersatz für ein Strukturbauteil aus Organoblech und insbesondere als Kraftfahrzeugteil verwendet werden kann, ausreichend stabil sowie gleichzeitig kostengünstig herzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch einen Gegenstand nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugteils, zeichnet sich dadurch aus, dass das Flächenelement aus einer im Extrusionsverfahren hergestellten Folie erzeugt und in dem Thermoformverfahren zumindest vorgeformt wird. Darüber hinaus wird an das Flächenelement anschließend insbesondere in einer Spritzgießvorrichtung der Kunststoff angespritzt. Durch die Ausgestaltung des Flächenelements als mit Fasern verstärkte Folie wird dieses verbessert zur Aufnahme von Lasten und kann nicht so leicht beschädigt werden. Gleichzeitig wird auf den komplizierten Herstellungsprozess der für die Organobleche verwendeten Gewebe oder Gelege aus Endlosfasern und deren anschließende Kaschierung und Konsolidierung verzichtet. Das zugrundeliegende Flächenelement kann in einem Herstellungsschritt im Extrusionsverfahren direkt als weiterverarbeitbare Folie erzeugt werden. Zumindest vorgeformt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Flächenelement einen Großteil seiner Form während eines Thermoformvorgangs erhält und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt diese Form durch das Anspritzen von Kunststoff entweder erhalten bleibt oder nur noch geringfügig korrigiert wird. Eine solche Korrektur kann durch eine Belastung des Vorformlings durch das Zusammenfahren des Spritzgießwerkzeugs und/oder durch eine Belastung aufgrund des Einspritzens des Kunststoffs in die Werkzeugkavität erfolgen. Vorzugsweise wird das Flächenelement nahezu vollständig oder sogar vollständig im Thermoformverfahren geformt.
Im Thermoformverfahren, auch Warmumformung genannt, wird die Folie dann zumindest vorgeformt, wobei dieser Vorgang auch das Heraustrennen von gegebenenfalls benötigten Ausnehmungen und das Zuschneiden bzw. Ausstanzen der jeweiligen Zuschnitte aus der Folie mit umfasst. Vorzugsweise wird das Flächenelement, das eine Fläche von zumindest 10 cm² bei einer Dicke zwischen 0,4 und 2,0 mm aufweisen kann, bereits in seine endgültige Form überführt. Zur Ausbildung der endgültigen Struktur des Kunststoffverbundbauteils wird das zumindest vorgeformte Flächenelement anschließend insbesondere in einer Spritzgießvorrichtung mit zusätzlichem Kunststoff versehen. Hierbei wird insbesondere durch die Verbindung mit zur Folie ähnlichen oder identischen Kunststoffmaterialien, vorzugsweise Polypropylen, eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung des Flächenelements mit dem angespritzten Kunststoff eingegangen, so dass eine Struktur entsteht, die einerseits an die Festigkeit von Organoblechen herankommt, andererseits aber aufgrund der Herstellung einer verstärkten Folie im Extrusionsverfahren mit anschließender Thermoumformung erheblich einfacher und kostengünstiger zu produzieren ist.
Vorzugsweise wird die Folie im Folienextrusionsprozess, d. h. im Extrusionsverfahren mit einer Stärke zwischen 0,4 mm und 2 mm, verbessert zwischen 0,5 mm und 1,3 mm sowie insbesondere zwischen 0,8 mm und 1,1 mm, hergestellt. Gerade letzterer Bereich stellt einen für das Flächenelement besonders günstigen Bereich zwischen Lastaufnahme und Verformbarkeit im Thermoformverfahren dar.
Die Folie kann insbesondere aus zumindest einer Schicht eines zwischen 20 Gewichtsprozent (Gew.-%) und 70 Gew.-% Fasern enthaltenen Kunststoffs aufgebaut sein. Für eine besonders gut verwendbare Folie werden insbesondere 30 Gew.-% bis 60 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 40 Gew.-% bis 55 Gew.-% an Fasern verwendet. Hier handelt es sich insbesondere um Glas-, Karbon- oder Aramid-Fasern. Ebenfalls kann es sich bei den Fasern um bi- oder unidirektional gereckte Abschnitte des Thermoplasten handeln, der auch im Spritzgießwerkzeug eingesetzt wird. Auch im Spritzgußverfahren werden mit Fasern versetzte, thermoplastische Kunststoffe vorzugsweise aus Polypropylen (PP) eingesetzt. Es eignen sich auch Thermoplaste wie PA, PA6, PS und/oder TPE. Die Folien werden insbesondere aus PP, vorzugsweise aus PP GF50, einem Polypropylen mit einem Anteil von 50 Gew.-% Glasfasern gebildet. Insbesondere bei mehrschichtigen Folien können die einzelnen Schichten auch aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut und darüber hinaus miteinander verklebt sein.
Für das Spritzgießen werden insbesondere Glasfasern oder Karbonfasern verwendet. Die Gewichtsanteile liegen zwischen 15 Gew.-% und 60 Gew.-%. Es kann allerdings in Kunststoffverbundbauteilen auch faserloses Material eingesetzt werden. Die verwendeten Faserdurchmesser, die gute Ergebnisse bei der Folienextrusion sowie bei der Formgebung im Spritzguß aufweisen, liegen zwischen 0,05 mm und 0,2 mm. Die Faserlänge liegt insbesondere bei 0,4 mm bis 5 mm. Mittels dieser Fasern wird eine Folie ausreichend verstärkt bei gleichzeitig prozesssicher handhabbarer Extrusion.
Bei der Folienextrusion ist es von Vorteil, wenn die Fasern eine Vorzugsrichtung aufweisen, die beispielsweise in Längsrichtung der Folienbahn weist. Eine solche Vorzugsrichtung, die sich beispielsweise durch die Verwendung einer Breitschlitzdüse ergibt, ist keine eindeutig definierte Richtung, sondern eine mittlere Orientierung aller Fasern, die in der Folie enthalten sind. Ein besonders stabiles Kunststoffverbundbauteil ergibt sich, wenn erfindungsgemäß zumindest ein überwiegender Teil und vorzugsweise alle Fasern des anzuspritzenden Kunststoffs durch die Ausbildung von Hauptkanälen eine Vorzugsrichtung erhalten, die winklig zu der Vorzugsrichtung der Fasern der Folie ausgerichtet ist. Hierfür werden beispielsweise die Haupteinspritzrichtungen im Spritzgießwerkzeug so gewählt, dass sie quer zur Vorzugsrichtung der Fasern der Folie liegt. Durch eine zusätzlich zum Stoffschluß (bei ähnlichen oder gleichen Thermoplasten von Flächenelement und Anspritzung) form- und/oder kraftschlüssige Verbindung des angespritzten Kunststoffs mit dem Kunststoff der Folie wird ein sehr stabiles Bauteil erzeugt.
Eine Folie, die auf zumindest einer Schicht PP GF50 basiert, führt mit anschließender An- oder Hinterspritzung von faserverstärktem Kunststoff zu einem Kunststoffverbundbauteil, welches bei rund 50-%iger Hinterspritzung mit PP GF50 lediglich 25% mehr Gewicht als ein bekanntes Organoblech aufweist.
Insbesondere wird eine Kostenersparnis durch einen ökonomischen Prozess erzeugt, bei dem erfindungsgemäß nach dem Thermoformen das noch warme Flächenelement in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird. Die Temperaturen im Thermoformverfahren liegen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 120°C und 170°C, insbesondere zwischen 140°C und 150°C. Durch die vorzugsweise direkte Übergabe des Vorformlings bzw. Werkstücks aus der Thermoformvorrichtung in die Spritzgießvorrichtung oder das Spritzgießwerkzeug kann auf einen zusätzlichen Heizvorgang von bereits gelagerten und abgekühlten Vorformlingen gegebenenfalls ganz verzichtet werden. Zumindest ist die zugeführte Energiemenge deutlich niedriger, als wenn die Vorformlinge von Umgebungstemperatur auf die für die Spritzgießbearbeitung gewünschte Temperatur zwischen 30°C und 80°C gebracht werden müssen.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn das Flächenelement während des Thermoformens aus der aufgrund ihrer Extrusion noch erwärmten Folie hergestellt wird. Auch hier können Einsparungen durch die Nutzung der noch aus dem Extrusionsverfahren vorhandenen Energie genutzt werden. So liegt die Temperatur, mit der die Folie in die Thermoformvorrichtung bzw. -maschine übergeben wird, bei rund 80°C, was gegenüber einer Umgebungstemperatur eine Differenz von rund 60 K ist. Die Folie muss für die Bearbeitungstemperatur zwischen 120°C und 170°C somit deutlich weniger stark erwärmt werden. Die Kosten für ein erfindungsgemäßes Kunststoffbauteil liegen auch aufgrund der Energieeinsparung insgesamt rund 30% bis 40% unter den Kosten für ein vergleichbares Strukturbauteil aus Organoblech.
Erfindungsgemäß können für die Durchführung des Verfahrens zunächst eine erste Vorrichtung, die als Thermoformvorrichtung ausgebildet ist, sowie für den Spritzgießverfahrensteil eine zweite Vorrichtung, die als Spritzgießvorrichtung ausgebildet ist, verwendet werden. Zwischen diesen wird der Vorformling dann insbesondere automatisiert mittels einer Handlingseinrichtung übergeben.
Zwar können das Thermoformen und das Spritzgießen in demselben Werkzeug durchgeführt werden, allerdings bauen entsprechende Vorrichtungen komplex, sind teuer und verlängern die Zykluszeit erheblich. Die Verwendung zweier separater, räumlich allerdings insbesondere benachbarter Vorrichtungen, macht den Prozess leichter beherrschbar. Die einzelnen Stufen des Prozesses werden auf herkömmlichen Maschinen durchgeführt, die separat handhabbar sind und kürzere Zykluszeiten aufweisen.
Weiterhin kann insbesondere ein durch das Thermoformen erzeugtes Foliengitter in der Extrusion wiederverwertet werden. Durch die Wiederverwertung des während des Thermoformens erzeugten Stanz- bzw. Foliengitters werden weitere Einsparpotenziale im Sinne eines niedrigeren Materialverbrauchs erzielt. Die komplexer aufgebauten Organobleche lassen sich insbesondere aufgrund des aus Endlosfasern aufgebauten und kaschierten Geleges nur schwer für eine Wiederverwertung trennen.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem jeweils wenigstens ein Folienextruder, eine Thermoformvorrichtung und eine Spritzgießvorrichtung zur Inline-Herstellung des Kunststoffverbundbauteils vorgesehen sind. Unter ein Inline-Herstellung wird hierbei ein Prozess verstanden, bei dem ausgehend von einer Überführung der extrudierten Folie diese direkt oder unter Verwendung eines vorzugsweise durch Rollen oder Walzen ausgebildeten Zwischenspeichers, über den die Folie auch passend gespannt werden kann, mit einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur in die Thermoformvorrichtung überführt wird. Anschließend werden die Vorformlinge aus der Thermoformvorrichtung ausgegeben oder entnommen und insbesondere mit einer ebenfalls über der Raumtemperatur liegenden Temperatur vorzugsweise automatisiert durch einen Greifer in die zumindest eine Spritzgießvorrichtung überführt. Folienextruder, Thermoformvorrichtung und Spritzgießvorrichtung stehen hierfür vorzugsweise nebeneinander. Durch die Inline-Herstellung wird einerseits Energie aufgrund der geringeren Abkühlung der Folie und des Vorformlings eingespart, andererseits werden die Vorformlinge an Ort und Stelle weiterverarbeitet und müssen nicht von einem Unternehmen zum nächsten transportiert werden, was ebenfalls Energieaufwand erfordert und die Einstellung von Prozessparametern kann über die gesamte Prozesskette vorgenommen werden, um unmittelbar erkennbare Änderungen in Richtung eines optimalen Prozessergebnisses zu erzielen.
Bei der Spritzgießvorrichtung kann es sich um eine mit einem Mehrfachwerkzeug handeln, so dass eine Mehrzahl von vorzugsweise im gleichen Thermoformvorgang erzeugten Vorformlingen direkt in das Mehrfachspritzgießwerkzeug überführt werden kann. Hierdurch können niedrigere Taktzeiten des Spritzgießwerkzeugs ausgeglichen werden. Alternativ oder ergänzend können einige der im Thermoformvorgang erzeugten Formvorlinge auch in eine oder mehrere weitere Spritzgießvorrichtungen vorzugsweise automatisiert überführt werden.
Insbesondere können somit Taktzahlen von zumindest zwei Stück pro Minute, verbessert 15 Stück pro Minute, bis hin zu 30 Stück pro Minute für Kunststoffverbundbauteile in der Qualität von Organoblechen erreicht werden.
Erfindungsgemäß verbleibt die Temperatur des Flächenelements nach dessen Vorformung in der Thermoformvorrichtung und vor Einbringen in die Spritzgießvorrichtung oberhalb von 50°C, was die bereits erörterte Energieeinsparung mit sich bringt. Sofern zusätzliche Heizvorrichtungen vorgesehen sind, haben diese die Vorformlinge zur Einstellung der gewünschten Temperatur weniger stark zu erwärmen, als wenn die Formvorlinge aus einer Lagerhaltung kommen, in der sie unter Umgebungsbedingungen im Bereich zwischen 20°C und 23°C gelagert werden.
Zwecks weiterer Ausbildung des Kunststoffbauteils kann die faserverstärkte Folie mehrschichtig ausgebildet sein. So kann beispielsweise eine Hauptschicht mit Glas- oder anderen Fasern verstärkt sein, während eine weitere Schicht zur Ausbildung einer bestimmten Funktionalität verwendet wird. Eine Deckschicht kann einen anderen Faseranteil als die Hauptschicht oder gar keine Fasern aufweisen, sie kann zur Herstellung von Farbeffekten gefärbt sein, eine bessere Abrieb- und/oder Kratzfestigkeit, eine höhere Strapazierfähigkeit, einen gewünschten Reibungskoeffizienten, eine strukturierte geprägte Oberflächen beispielsweise zur Ausbildung von Antirutsch-Oberflächen und/oder eine bessere Haftung oder Vermischung zum angespritzten Kunststoff aufweisen.
Als Folienmaterial kommt vorzugsweise PP in Frage. Auch PA kann verwendet werden wie grundsätzlich weitere thermoplastische Kunststoffe.
Während die Extrusion im Bereich von 200°C bis 300°C bei einer insbesondere als PP GF50-Folie ausgebildeten Folie erfolgt, werden während des Thermoformvorganges Temperaturen im Bereich von 120°C bis 170°C vorliegen und der zusätzliche Kunststoff im Spritzgießwerkzeug bei Temperaturen von 240°C bis 280°C angespritzt. Dies gewährleistet eine gute Verbindung des anzuspitzenden Kunststoffs an den Vorformling, mit dem eine z. T. stoffschlüssige Verbindung eingegangen wird. Darüber hinaus kann das Flächenelement wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere mehrere zur Ausbildung zumindest eines Gitterstrukturbereiches aufweisen, über die dann formschlüssige Verbindungen entstehen. Darüber hinaus kann der Vorformling sämtliche über einen Thermoformverfahren erzeugbaren Formen aufweisen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ebenfalls durch ein Kunststoff-Verbundbauteil gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Flächenelement durch eine faserverstärkte Folie ausgebildet ist, an die zumindest abschnittsweise ein thermoplastischer Kunststoff angespritzt ist, wobei das Kunststoffverbundbauteil insbesondere durch ein vor- oder nachbeschriebenes Verfahren hergestellt ist.
Einem solchen Kunststoffverbundbauteil kommen die vor- bzw. nachbeschriebenen Vorteile zu. Die Herstellungskosten sind im Vergleich zu Strukturbauteilen aus Organoblechen reduziert, der Prozess ist mit höheren Taktzeiten und bei Einsatz von weniger Energie durchführbar.
Als Fasern können sowohl in der Folie als auch im anzuspitzenden Kunststoff uni- oder bidirektional gereckte Abschnitte des zum Anspritzen verwendeten Kunststoffs, Glas-, Karbon- und/oder Aramid-Fasern verwendet werden. Insbesondere sind hierbei wie vorbeschrieben die Fasern des Flächenelements mit einer Vorzugsrichtung versehen, die zu einer Vorzugsrichtung der Fasern des an das Flächenelement angespritzten Kunststoffs angewinkelt ist. Wie vorbeschrieben kann das Flächenelement mehrschichtig ausgebildet sein. Hierbei kann das aus einer vorbeschriebenen Folie erzeugte Flächenelement wie erläutert mit wenigstens einer Deckschicht versehen sein, die insbesondere zumindest teilweise im Kunststoffverbundbauteil frei liegt und eine höhere Glätte, Abrieb- und/oder Kratzfestigkeit und/oder einen höheren Reibungskoeffizienten als eine weitere Schicht des Flächenelements aufweist. Die Faseranteile der unterschiedlichen Schichten können unterschiedlich hoch sein, um für die Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit, Struktur und Befestigung oder Formschluss mit dem anzuspitzenden Kunststoff herzustellen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Inline-Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils,
2 ein erfindungsgemäßes Kunststoffverbundbauteil.
Einzelne technische Merkmale der nachbeschriebenen Ausführungsbeispiele können auch in Kombination mit vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und etwaiger weiterer Ansprüche zu erfindungsgemäßen Gegenständen kombiniert werden. Sofern sinnvoll, werden funktional gleiche Elemente mit identischen Bezugsziffern versehen.
Eine als Folienextruder 1 ausgebildete Extrusionsvorrichtung dient der Herstellung einer im vorliegenden Fall mehrschichtigen Folie 2. Die Folie 2 umfasst eine über einen Hauptextruder 3 erzeugte Hauptschicht auf Basis eines PP GF50 sowie eine über einen Deckschichtextruder 4 hergestellte Deckschicht. Diese Deckschicht weist einen beispielhaft einen etwas geringeren Faseranteil auf als die Hauptschicht der Folie 2.
Über eine Breitschlitzdüse 6 wird die Folie 2 einem Glätt- und Kalibrierwerk 7 zugeführt. Von dort wird die Folie 2 in eine Abzugsvorrichtung 8 überführt, in der neben einem leichten Strecken der Folie 2 auch ein Seitenbeschnitt erfolgt. Ein Beschnitt 16 wird zurückgeführt, granuliert und wiederverwertet.
Ausgehend von dem Folienextruder 1 wird die Folie 2 in einem noch erwärmten Zustand oberhalb der Raumtemperatur in eine Thermoformvorrichtung bzw. -maschine 9 überführt. Die Thermoformvorrichtung umfasst eine Aufwärmestation 11, auf die in Laufrichtung L der Folienbahn eine Umformstation 12 folgt.
Die Einlauftemperatur der PP GF50 in die Thermoformvorrichtung beträgt rund 80°C. Somit wird die für die Erwärmung der Folie 2 von Umgebungstemperatur auf 80°C benötigte Energiemenge durch diesen erfindungsgemäßen Verfahrensschritt eingespart. In der Aufwärmestation erfolgt dann die weitere Erwärmung der Folie auf die gewünschte Temperatur auf 120°C bis 170°C, vorliegend insbesondere auf 140°C bis 150°C. Dies ist für die verwendete PP GF50-Folie einer Dicke von vorzugsweise 0,8 bis 1,1 mm der nach einer Vielzahl von Versuchen definierte beste Arbeitsbereich.
In der Umformstation 12 wird die Folie nun thermogeformt, d. h. warmumgeformt. Da es sich bei der Thermoformvorrichtung um eine intermittierend arbeitete Maschine handelt, wird die kontinuierlich aus dem Folienextruder laufende Folie 2 zwischen Thermoformvorrichtung 9 und Folienextruder 1 zwischengespeichert. Dies kann durch ein einfaches Überhängen oder auch durch eine Folienspeicheranordnung erfolgen, die die Folie auf einer Spannung hält, die für den optimalen Vorzug in die Thermoformmaschine benötigt wird.
In einer der Umformstation 12 folgenden Lochstanze 13 sowie einer weiteren Trennstanze 14 wird der Vorformling aus der Folienbahn vereinzelt und mit etwaigen gewünschten Ausnehmungen versehen. Anstelle der drei Werkzeuge für die Umformstation 12, die Lochstanze 13 und die Trennstanze 14 innerhalb der Thermoformvorrichtung kann der Vorgang des Formens, Lochstanzens und des Vereinzelns und Heraustrennen aus der Folienbahn auch durch ein einziges Werkzeug abgebildet werden.
Ähnlich wie der in der Abzugsvorrichtung 16 mit Seitenbeschnitt anfallende Beschnitt 16 wird das übriggebliebene Folien- bzw. Stanzgitter 17 wiederverwertet und dem Folienextruder 1 zugeführt. Hierfür wird aus dem Beschnitt 16 bzw. Foliengitter 17 ein Granulat, vorzugsweise in einer Mühle, erzeugt, welches in einen Speicher 18 des Folienextruders 1 überführt werden kann.
Das in der Thermoformvorrichtung 9 erzeugte Flächenelement 19 wird als Vorformling automatisiert über einen Roboter 21 mit Handlingseinrichtung in eine Spritzgießvorrichtung oder -maschine 22 überführt und zwischen zwei Hälften 23 des Spritzgießwerkzeugs platziert. Über einen ebenfalls mit mit Glasfasern versehenes Kunststoffgranulat befüllten Speicher 24 wird eine Spritzeinheit 26 mit Material zum Spritzen, hier ein Fasern enthaltender thermoplastischer Kunststoff, vorzugsweise PP, erzeugt.
Nach einem Zusammenfahren der Werkzeughälften 23 wird dieser Kunststoff an das im Thermoformvorgang ausgebildete Flächenelement 19 angespritzt, angedeutet durch einen Pfeil 27. Anschließend wird das fertige Kunststoffverbundbauteil 28 über den Roboter 21, gegebenenfalls auch einen weiteren Roboter aus den auseinandergefahrenen Hälften 23 entnommen und kann dann verpackt werden.
Das erfindungsgemäße Kunststoffverbundbauteil 28 umfasst dann das Flächenelement 19 und angespritzte Aussteifungs- sowie Funktionselemente.
Diese Verbundkonstruktion ist in dem Ausführungsbeispiel nach 2 deutlich erkennbar. Insbesondere sind Randbereiche des Flächenelements 19 zur Vermeidung von Ausfransungen mit einem umlaufenden Rahmen 29 ummantelt. Dieser Rahmen dient auch gleichzeitig der Aussteifung des Flächenelements 19. Insbesondere können in dem Kunststoffverbundbauteil 28 funktionale Bereiche enthalten sein, die der Anbindung weiterer Elemente und der Festlegung des Kunststoffverbundbauteils dienen. So können zusätzlich Metallhülsen 31 in den Rahmen 29 eingelegt sein, die in der Spritzgießvorrichtung 22 teilweise mit umspritzt werden. Weitere Funktionselemente in Form von Rasthaken 32, 33 sowie Gewindehülsen 34 zeigen, dass über das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren komplex bauende Kunststoffverbundbauteile hergestellt werden können, die nahezu beliebig komplex bauen und gleichzeitig aufgrund der Verwendung von faserverstärkten Verbundmaterialien, insbesondere auf Seiten des Flächenelements 19, eine ausreichend Festigkeit aufweisen, um als tragfähiges Strukturbauteil, beispielsweise für Türbereiche in Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013213711 A1 [0002]
DE 102007013549 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils (28), insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, welches mittels eines Fasern enthaltenen Flächenelements (19) hergestellt wird, an dem zumindest bereichsweise zusätzlicher Kunststoff angeordnet und das im Thermoformverfahren geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) aus einer im Extrusionsverfahren hergestellten Folie (2) erzeugt und in dem Thermoformverfahren zumindest vorgeformt wird, und an welches anschließend insbesondere in einer Spritzgießvorrichtung (22) der Kunststoff angespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Thermoformen das noch warme Flächenelement (19) in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) während des Thermoformens aus der aufgrund ihrer Extrusion noch erwärmten Folie (2) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoformverfahren in einer ersten Vorrichtung, die als Thermoformvorrichtung (9) ausgebildet ist, und das Spritzgießverfahren in einer zweiten Vorrichtung, die als Spritzgießvorrichtung (22) ausgebildet ist, erfolgt, wobei insbesondere ein durch das Therrmoformen anfallendes Foliengitter (17) in der Extrusion wiederverwertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Kunststoffverbundbauteils (28) wenigstens ein Folienextruder (1), die Thermoformvorrichtung (9) und die Spritzgießvorrichtung (22) zur Inline-Herstellung des Kunststoffverbundbauteils (28) vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Taktzahl von zumindest 2 T/min, vorzugsweise 15 und noch bevorzugter 45 T/min.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Flächenelements (19) nach dessen Vorformung und vor Einbringen in die Spritzgießvorrichtung (22) oberhalb von 50°C verbleibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (2) im Extrusionsverfahren mit einer Stärke zwischen 0,4 mm und 2 mm, vorzugsweise von 0,8 mm bis 1,1 mm hergestellt wird, und/oder dass die Folie, insbesondere aus einem zwischen 20% und 70%, vorzugsweise zwischen 40% und 55% Fasern enthaltenden Kunststoff, insbesondere umfassend ein Polypropylen, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (2) mehrschichtig extrudiert wird.
Kunststoffverbundbauteil, umfassend ein Flächenelement (19), an dem zumindest bereichsweise ein Kunststoff angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) durch eine faserverstärkte Folie (2) ausgebildet ist, an die zumindest abschnittsweise ein thermoplastischer Kunststoff angespritzt ist, wobei das Kunststoffverbundbauteil (28) insbesondere durch ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern uni- oder bidirektional gereckte Abschnitte des zum Anspritzen verwendeten Kunststoffs, Glas-, Carbon- und/oder Aramidfasern sind.
Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 10 oder 11 und insbesondere unter Einschluss von Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) mehrschichtig ausgebildet ist.
Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) wenigstens eine Deckschicht aufweist, die insbesondere zumindest teilweise freiliegt, und die eine höhere Glätte, Abrieb- und/oder Kratzfestigkeit und/oder einen höheren Reibungskoeffizienten als eine weitere Schicht des Flächenelements (19) aufweist.
Kunststoffverbundbauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (19) wenigstens eine Ausnehmung und insbesondere einen Gitterstrukturbereich aufweist.
Kunststoffverbundbauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Flächenelements (19) eine Vorzugsrichtung aufweisen, die zu einer Vorzugsrichtung der Fasern des an das Flächenelement (19) angespritzten Kunststoffs angewinkelt ist.