DE102016120703A1 - Method and device for producing three-dimensional molded parts from a fiber-reinforced thermoplastic strip - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem faserverstärkten Thermoplastband. Um einen lastpfadoptimierten Aufbau des dreidimensionalen Formteils bei minimalem Material- und Energieeinsatz zu bewerkstelligen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:Schritt A: Bereitstellen eines Presswerkzeugs (2) mit einem Kanal (3), welcher zwischen einer Matrize (2a) und einer Patrize (2b) des Presswerkzeugs (2) exakt oder im Wesentlichen in der Bewegungsebene (B) des Presswerkzeugs (2) verläuft;Schritt B: Anordnen des Thermoplastbandes (1) entlang des Kanals (3) im geöffneten Presswerkzeug (2);Schritt C: Erwärmen des Thermoplastbandes (1), vorzugsweise bis kurz unter die Schmelztemperatur;Schritt D: Schließen des Presswerkzeugs (2) zur Formung des dreidimensionalen Formteils aus dem erwärmten Thermoplastband (1) innerhalb des Kanals (3).Daneben stellt die Erfindung ein Presswerkzeug zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem faserverstärkten Thermoplastband (1) bereit, wobei das Presswerkzeug (2) einen Kanal (3) aufweist, welcher zwischen einer Matrize (2a) und einer Patrize (2b) des Presswerkzeugs (2) exakt oder im Wesentlichen in der Bewegungsebene (B) des Presswerkzeugs (2) verläuft, wobei der Kanal (3) vorzugsweise den Vektor des projizierten Lastpfades des zu formenden dreidimensionalen Formteils in der Bewegungsebene (B) des Presswerkzeugs (2) abbildet.The invention relates to a method and an apparatus for producing three-dimensional molded parts from a fiber-reinforced thermoplastic tape. In order to accomplish a load path-optimized construction of the three-dimensional molded part with minimum use of material and energy, the method according to the invention comprises the following steps: Step A: Provision of a pressing tool (2) with a channel (3) which is located between a die (2a) and a male part (2b) of the pressing tool (2) runs exactly or substantially in the plane of movement (B) of the pressing tool (2); Step B: arranging the thermoplastic strip (1) along the channel (3) in the opened pressing tool (2); Heating the thermoplastic strip (1), preferably until shortly below the melting temperature, step D: closing the pressing tool (2) to form the three-dimensional molded part from the heated thermoplastic strip (1) within the channel (3) of three-dimensional molded parts made of a fiber-reinforced thermoplastic strip (1), the pressing tool (2) having a channel (3) which between a die (2a) and a male part (2b) of the pressing tool (2) runs exactly or essentially in the plane of movement (B) of the pressing tool (2), the channel (3) preferably being the vector of the projected load path of the three-dimensional one to be formed Shaped part in the plane of movement (B) of the pressing tool (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem faserverstärkten Thermoplastband.The invention relates to a method and an apparatus for producing three-dimensional molded parts from a fiber-reinforced thermoplastic tape.
Bei der großserientechnischen Herstellung von Leichtbaustrukturen werden vorwiegend faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, da deren anisotrope Eigenschaften eine lastpfadoptimierte Auslegung erlauben. Dabei werden Verstärkungshalbzeuge (vorwiegend aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid) textiltechnologisch zu Flächengebilden (vorwiegend Gelege, Gewebe, Gestricke) hergestellt und mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert. Diese sogenannten Organoblechhalbzeuge werden entsprechend eines lastpfadoptimierten Lagenaufbaus geschichtet und auf Endkontur zugeschnitten. Anschließend wird der besäumte Lagenaufbau unter Druck und Temperatur zu einer Preform konsolidiert. Derartige Preformen sind in ihrer Faserausrichtung und ihrer Flächenausbildung an die herzustellende Leichtbaustruktur angepasst und werden vor dem endgültigen Formgebungsprozess in einer Vorheizstation (vorwiegend Infrarot, Kontaktheizung oder Wärmeofen) bis kurz vor ihrer Schmelztemperatur erwärmt. Die so aufgeheizte Preform wird anschließend in das Presswerkzeug gelegt und unter Druck zur Leichtbaustruktur umgeformt. Die wesentlichen technischen Probleme, die der Erfindung zugrunde liegen sind:
- - Verstärkungsfasern sind in der Fläche gerichtet (vorwiegend unidirektionale Ausrichtung in 0° oder bidirektionale Ausrichtung in 0/90° bzw. -45/+45°) und folgen so nicht dem exakten Pfad der Last,
- - eine Schichtung mehrerer winklig zueinander gestapelter Organobleche trägt die Last in der Struktur ab, führt aber zur Überdimensionierung,
- - ein überwiegender Teil der verarbeiteten Verstärkungsfasern in der Leichtbaustruktur nimmt keine Lasten auf,
- - beim endkonturnahen Zuschnitt des lastpfadgerechten Lagenaufbaus fällt ein erheblicher Anteil (bis zu 10%) Abfall an,
- - sehr großer Energiebedarf beim Konsolidieren und beim Vorheizen der Preform durch hohe Verluste infolge Konvektion sowie Abstrahlung und
- - zusätzlicher Energiebedarf in der mobilen Anwendung durch Überdimensionierung.
- - Reinforcing fibers are directed in the surface (mainly unidirectional alignment in 0 ° or bidirectional alignment in 0/90 ° or -45 / + 45 °) and thus do not follow the exact path of the load,
- a layering of a plurality of organoplates stacked at an angle to one another bears the load in the structure, but leads to overdimensioning,
- a majority of the processed reinforcing fibers in the lightweight structure do not take up loads,
- - the near-net shape cutting of the load path-compliant layer structure accounts for a significant proportion (up to 10%) waste,
- - Very high energy consumption during consolidation and preheating of the preform due to high losses due to convection and radiation and
- - Additional energy requirements in the mobile application due to oversizing.
Im Bereich der endlosfaserverstärkten Thermoplaststrukturen existiert keine Technologie, die die oben genannten Probleme ganzheitlich löst.In the field of continuous fiber reinforced thermoplastic structures, there is no technology that solves the above problems holistically.
Die Automated-Tape-Laying (ATL)-Technologie erlaubt die unidirektionale Ablage von endlosfaserverstärkten Thermoplasttapes mittels Legerobotern auf eine Werkzeugform. Durch eine Vorwärmstation (Laser, Infrarot, Kontaktheizen) am Legekopf wird online das Tape bis kurz vor Schmelztemperatur erhitzt und unter Druck auf die Werkzeugform abgelegt. Eine Zuschnittvorrichtung im Legekopf erlaubt dabei die endkonturnahe Besäumung des Tapes. Zeilen- und schichtweise werden so flächige Strukturen aufgebaut, deren Faserorientierung sich am Lastpfad orientiert. Entsprechend der zuvor beschriebenen Problematik bezüglich der unidirektionalen Ausrichtung der Fasern erfolgt auch hier keine exakte Ausrichtung der Fasern entlang des Lastpfades. Lediglich die endkonturnahe Ablage der Verstärkungstapes verursacht keinen kostenintensiven Materialabfall.The Automated Tape Laying (ATL) technology allows the unidirectional storage of continuous fiber reinforced thermoplastic tapes by means of laying robots on a tool mold. A preheating station (laser, infrared, contact heating) on the laying head heats the tape online until shortly before the melting temperature and places it under pressure on the mold. A blanking device in the laying head allows the endkontaunahe trimming of the tape. Row-wise and layer-wise, such flat structures are constructed whose fiber orientation is oriented along the load path. Corresponding to the problem described above with regard to the unidirectional alignment of the fibers, no exact alignment of the fibers along the load path takes place here as well. Only the near-net shape storage of reinforcement tapes causes no costly material waste.
Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart wurde 2011 eine Technologie entwickelt, die in der deutschen Patentanmeldung
Bei der Herstellung von duroplastischen Hochleistungsverbundstrukturen werden mittels des Tailored-Fibre-Placement-Verfahrens Fasern sticktechnologisch auf ein textiles Substrat belastungsgerecht abgelegt. Dabei folgt die abgelegte Faser exakt den Pfad der Last. Die so hergestellte Preform wird anschließend in ein Werkzeug eingelegt und mit Epoxidharz imprägniert. Da das Harz nach der Imprägnierung aushärten muss, sind lange Zykluszeiten erforderlich, wodurch keine Großserie realisiert werden kann.In the production of high-performance thermoset composite structures, fibers are deposited using the tailored-fiber-placement process in a manner that meets the requirements of the adhesive technology on a textile substrate. The deposited fiber follows exactly the path of the load. The preform thus produced is then placed in a mold and impregnated with epoxy resin. Since the resin must cure after impregnation, long cycle times are required, which means that no large-scale production can be realized.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ressourcenoptimierten Herstellung von dreidimensionalen Formteilen bereitzustellen, um einen lastpfadoptimierten Aufbau des dreidimensionalen Formteils bei minimalem Material- und Energieeinsatz zu bewerkstelligen.The invention is based on the object to provide a method and apparatus for resource-optimized production of three-dimensional moldings to accomplish a load path optimized design of the three-dimensional molding with minimal use of materials and energy.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem faserverstärkten Thermoplastband, umfassend die Schritte:
- - Schritt A: Bereitstellen eines Presswerkzeugs mit einem Kanal, welcher zwischen einer Matrize und einer Patrize des Presswerkzeugs exakt oder im Wesentlichen in der Bewegungsebene des Presswerkzeugs verläuft;
- - Schritt B: Anordnen des Thermoplastbandes entlang des Kanals im geöffneten Presswerkzeug;
- - Schritt C: Erwärmen des Thermoplastbandes, vorzugsweise bis kurz unter die Schmelztemperatur;
- - Schritt D: Schließen des Presswerkzeugs zur Formung des dreidimensionalen Formteils aus dem erwärmten Thermoplastband innerhalb des Kanals.
- - Step A: Providing a pressing tool with a channel which runs between a die and a male of the pressing tool exactly or substantially in the plane of movement of the pressing tool;
- Step B: placing the thermoplastic tape along the channel in the open die;
- - Step C: heating the thermoplastic tape, preferably to just below the melting temperature;
- Step D: closing the pressing tool to form the three-dimensional molding from the heated thermoplastic tape within the channel.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt erstmals die Konsolidierung eines faserverstärkten Thermoplastbandes, insbesondere eines endlosfaserverstärkten Organotapes, entlang des Vektors des real wirkendenden Lastpfades in einem 3D-Formteil. Durch den Aufbau des 3D-Formteils auf Endkontur entsteht einerseits kein Abfall beim Endbeschnitt der Struktur und andererseits werden kostenintensive Materialien (CFK-Organotapes) lediglich dort eingesetzt, wo eine Faserverstärkung notwendig ist. Der Strukturaufbau kann somit optimiert an die wirkenden Belastungen im Bauteil angepasst werden, was eine bisher notwendige Überdimensionierung ausschließt. Das erlaubt die Entwicklung von Strukturen, bei denen auf Basis von faserverstärkten Thermoplastbändern, insbesondere von thermoplastischen endlosfaserverstärkten Organotapes, das maximale Leichtbaupotential ausgenutzt wird. Dadurch wird in der mobilen Endanwendung ein hohes Maß an Ressourceneffizienz (Energie und Material) infolge maximaler Gewichtseinsparung erreicht.The inventive method allows for the first time the consolidation of a fiber-reinforced thermoplastic tape, in particular a continuous fiber reinforced Organotapes, along the vector of the real acting load path in a 3D molded part. Due to the construction of the 3D molded part on the final contour, on the one hand, there is no waste during final trimming of the structure and, on the other hand, cost-intensive materials (CFRP organotapes) are only used where fiber reinforcement is necessary. The structure structure can thus be optimized adapted to the acting loads in the component, which precludes a previously required oversizing. This allows the development of structures in which the maximum lightweight potential is exploited on the basis of fiber-reinforced thermoplastic tapes, in particular of thermoplastic continuous fiber-reinforced organotapes. This results in a high degree of resource efficiency (energy and material) in the mobile end use due to maximum weight savings.
Das technische Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung komplexer Leichtbaustrukturen im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau, insbesondere in der Herstellung von Krafteinleitungs- und Kraftableitungselementen oder im Aufbau von Tragwerkstrukturen.The technical field of application of the present invention is the production of complex lightweight structures in the automotive, aircraft and mechanical engineering, in particular in the production of force introduction and force dissipation elements or in the structure of structural structures.
Begriffe und Definitionenterms and definitions
ThermoplastbandThermoplastic tape
Der Begriff Thermoplastband bezeichnet ein faserverstärktes Kunststoffband mit einer thermoplastischen Matrix oder einer Matrix aus einem Bi-Stage-Harz, das sich bis zu einer Grenztemperatur thermoplastisch und darüber duroplastisch verhält, wobei das Band vorzugsweise über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt aufweist. Im unverformten Ausgangszustand wird der Querschnitt des Thermoplastbandes als Ausgangsquerschnitt bezeichnet. Der Querschnitt des aus dem Thermoplastband hergestellten Formteils wird hingegen als Endquerschnitt bezeichnet. Ausgangsquerschnitt und Endquerschnitt sind vorzugsweise flächenmäßig gleich, unterscheiden sich aber im Hinblick auf das Querschnittsprofil. Das Querschnittsprofil des Ausgangsquerschnitts ist vorzugsweise flach, bevorzugt rechteckig, wobei die längere Seite des Querschnitts beispielsweise mindestens 5-mal größer ist als die kürzere Seite des Querschnitts. Dadurch ist das Thermoplastband insbesondere über die kürzere Seite des Querschnitts biegbar. Das Thermoplastband ist vorzugsweise mit Endlosfasern aus Glas, Aramid oder Kohlenstoff verstärkt, die bevorzugt exakt oder im Wesentlichen in Längsrichtung des Bandes verlaufen. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Fasern ein Flächentextil in Form eines Gewebes, Geleges oder Gestricks bilden, wobei vorzugsweise die Hauptrichtung der Fasern in Längsrichtung des Bandes verläuft.The term thermoplastic tape refers to a fiber-reinforced plastic tape having a thermoplastic matrix or a matrix of a bi-stage resin which behaves thermoplastic and thermosetting up to a limit temperature, the tape preferably having a constant cross section over its entire length. In the undeformed initial state, the cross section of the thermoplastic strip is referred to as the starting cross section. The cross section of the molded part produced from the thermoplastic strip, however, is referred to as the end cross section. The starting cross-section and the end cross-section are preferably the same in terms of area, but differ with regard to the cross-sectional profile. The cross-sectional profile of the starting cross section is preferably flat, preferably rectangular, wherein the longer side of the cross section, for example, at least 5 times larger than the shorter side of the cross section. As a result, the thermoplastic band is bendable in particular over the shorter side of the cross section. The thermoplastic band is preferably reinforced with continuous fibers of glass, aramid or carbon, which preferably extend exactly or substantially in the longitudinal direction of the band. It is also within the scope of the invention that the fibers form a surface textile in the form of a woven, laid or knitted fabric, wherein preferably the main direction of the fibers extends in the longitudinal direction of the band.
Presswerkzeugpress tool
Das Presswerkzeug besteht mindestens aus einer Matrize („Mutterform“), welche das Negativ der Außenform für das herzustellende, dreidimensionale Formteil bildet, sowie mindestens aus einer Patrize, welche die entsprechende Gegenform bildet. Die Matrize wird gegebenenfalls auch Unterform oder Unterteil genannt, während die Patrize auch als Stempel oder Oberteil bezeichnet werden kann. Patrize und Matrize definieren gemeinsam den Kanal zur Ausbildung des dreidimensionalen Formteils und sind in einer Bewegungsrichtung bzw. -ebene relativ zueinander bewegbar, sodass der Kanal in der Bewegungsebene des Presswerkzeugs verläuft.The pressing tool consists of at least one die ("mother shape"), which forms the negative of the outer mold for the three-dimensional molded part to be produced, and at least one male mold, which forms the corresponding counter-mold. If necessary, the die is also called lower mold or lower part, while the male mold can also be referred to as a punch or upper part. The male and female molds together define the channel for forming the three-dimensional molding and are movable in a direction of movement relative to each other, so that the channel extends in the plane of movement of the pressing tool.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.Further advantageous developments of the invention are subject matter of the subclaims.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Kanal des in Schritt A bereitgestellten Presswerkzeugs den Vektor des projizierten Lastpfades des zu formenden dreidimensionalen Formteils in der Bewegungsebene des Presswerkzeugs abbildet. Diese Ausführung begünstigt in besonderem Maße die Ausrichtung des Faserverlaufs entlang des Vektors des real wirkendenden Lastpfades in dem 3D-Formteil, insbesondere wenn das Thermoplastband endlosfaserverstärkt ist und/oder die Endlosfasern in Längsrichtung des Thermoplastbandes verlaufen.It may be advantageous if the channel of the pressing tool provided in step A images the vector of the projected load path of the three-dimensional molded part to be formed in the plane of movement of the pressing tool. This embodiment particularly favors the alignment of the fiber path along the vector of the real load path in the 3D molded part, in particular if the thermoplastic strip is reinforced with endless fibers and / or the continuous fibers extend in the longitudinal direction of the thermoplastic strip.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn das Thermoplastband in Schritt B in der Matrize des Presswerkzeugs derart entlang des Kanals angeordnet wird, dass es die Länge und/oder Breite des Kanals vollständig ausfüllt. Dadurch ist eine besonders kontur- und formgerechte Pressverformung des Thermoplastbandes möglich.It may be helpful if the thermoplastic tape is placed in step B in the die of the press tool along the channel so that it completely fills the length and / or width of the channel. As a result, a particularly contour and shape-appropriate compression deformation of the thermoplastic tape is possible.
Es kann sinnvoll sein, wenn das Thermoplastband in Schritt B in Erstreckungsrichtung des Kanals von einem Ende des Kanals bis zum anderen Ende des Kanals zugeführt wird, vorzugsweise von einer Rolle, bevorzugt automatisch. Derartige Prozessschritte können leicht automatisiert werden. Die Führung des Thermoplastbandes in Erstreckungsrichtung durch den Kanal ermöglicht eine besonders genaue Positionierung des Thermoplastbandes für die nachfolgende Erhitzung und Pressverformung, sodass eine besonders kontur- und formgerechte Pressverarbeitung des Thermoplastbandes erfolgen kann. It may be useful if the thermoplastic tape is fed in step B in the direction of extension of the channel from one end of the channel to the other end of the channel, preferably from a roll, preferably automatically. Such process steps can be easily automated. The leadership of the thermoplastic tape in the direction of extent through the channel allows a particularly accurate positioning of the thermoplastic tape for the subsequent heating and compression molding, so that a particularly contour and shape-appropriate press processing of the thermoplastic tape can be done.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn das Thermoplastband in Schritt C abgelängt, mit Elektroden verbunden und durch Widerstandserhitzung von innen erwärmt wird, und/oder durch Infrarotstrahler oder Heißluft oder dergleichen von außen erwärmt wird. Die intrinsisch elektrische Leitfähigkeit eines mit Kohlenstofffaser verstärkten Thermoplastbandes oder eines Thermoplastbandes mit elektrisch leitfähigen Partikeln in der thermoplastischen Matrix erlaubt dessen In-situ-Aufheizung durch Widerstandserhitzung. In Folge dessen erwärmt sich das Thermoplastband von Innen heraus, was im Gegensatz zu konventionellen Heizsystemen (Infrarot, Wärmeofen, Mikrowelle, etc.) die Abwärme durch Konvektion oder Abstrahlung wesentlich minimiert. Dies erhöht den Wirkungsgrad beim Aufheizen und reduziert den notwendigen Energiebedarf. Durch die In-situ-Aufheizung des Thermoplastbandes und dessen werkzeugintegrale Konsolidierung auf Endkontur wird eine wesentliche Verkürzung von Prozesszeiten erreicht, da räumlich getrennte Wirkstellen nicht existieren und Prozessschritte für das Handling des Thermoplastbandes entfallen.It may prove practical if the thermoplastic tape is cut to length in step C, connected to electrodes and heated internally by resistance heating, and / or heated from the outside by infrared radiators or hot air or the like. The intrinsic electrical conductivity of a carbon fiber reinforced thermoplastic tape or a thermoplastic tape with electrically conductive particles in the thermoplastic matrix allows its in situ heating by resistance heating. As a result, the thermoplastic tape heats up from the inside, which, in contrast to conventional heating systems (infrared, heating oven, microwave, etc.) significantly minimizes the waste heat from convection or radiation. This increases the efficiency during heating and reduces the necessary energy consumption. Due to the in-situ heating of the thermoplastic strip and its tool-integral consolidation on the final contour, a significant shortening of process times is achieved because physically separate active sites do not exist and process steps for the handling of the thermoplastic strip are eliminated.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn das Thermoplastband in Schritt A und/oder in Schritt B und/oder in Schritt C einen exakt oder im Wesentlich rechteckigen Ausgangsquerschnitt aufweist, wobei der Ausgangsquerschnitt vorzugsweise über die Länge des Thermoplastbandes konstant ist. Dadurch kann beim Verpressen auf Endkontur eine homogene Druckverteilung im 3D-Formteil realisiert werden.However, it can also be advantageous if the thermoplastic tape in step A and / or in step B and / or in step C has an exactly or substantially rectangular starting cross section, wherein the starting cross section is preferably constant over the length of the thermoplastic tape. As a result, a homogeneous pressure distribution in the 3D molded part can be realized when pressing on the final contour.
Es kann nützlich sein, wenn der Ausgangsquerschnitt des Thermoplastbandes in Schritt D verformt wird, vorzugsweise konvex und/oder konkav gewölbt wird, bevorzugt konvex zur Matrize und/oder konkav zur Patrize des Presswerkzeugs, wobei der Endquerschnitt des dreidimensionalen Formteils besonders bevorzugt im Hinblick auf das Profil und/oder die Fläche über wenigstens einen Teil seiner Länge oder über dessen Gesamtlänge konstant ist. Dabei kann/können lediglich ein oder mehrere Abschnitte des Thermoplastbandes verformt bzw. gewölbt werden oder sich die Verformung bzw. Wölbung über die gesamte Länge des Thermoplastbandes erstrecken. Eine derartige Formgebung des Endquerschnitts z.B. in U-Form verleiht dem Thermoplastband bzw. dem daraus entstehenden 3D-Formteil eine besonders hohe Stabilität.It may be useful if the starting cross-section of the thermoplastic strip is deformed in step D, preferably convex and / or concave, preferably convex to the die and / or concave to the male of the pressing tool, the end cross-section of the three-dimensional molding particularly preferred with respect to Profile and / or the surface over at least a portion of its length or over its entire length is constant. In this case, only one or more sections of the thermoplastic tape can be deformed or arched or the deformation or curvature can extend over the entire length of the thermoplastic tape. Such a shaping of the end cross-section, e.g. in U-shape gives the thermoplastic tape or the resulting 3D molded part a particularly high stability.
Es kann praktisch sein, wenn die Länge und/oder Breite des Thermoplastbandes auf die Länge und/oder Breite des Kanals abgestimmt ist. Dadurch kann das Thermoplastband in lediglich einer Schicht entlang des Kanals verlegt werden, um den Kanal vollständig auszufüllen. In diesem Fall ist der Materialeinsatz des Thermoplastbandes besonders effizient.It may be convenient if the length and / or width of the thermoplastic tape is matched to the length and / or width of the channel. Thereby, the thermoplastic tape can be laid in only one layer along the channel to completely fill the channel. In this case, the material usage of the thermoplastic tape is particularly efficient.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Dicke des Thermoplastbandes im Bereich von 0,01 bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm liegt. Ein derartiges Thermoplastband ist für die Herstellung von Leichtbaustrukturen im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau, insbesondere von Krafteinleitungs- und Kraftableitungselementen oder Tragwerkstrukturen hinreichend stabil und flexibel, sodass das Thermoplastband im Rahmen der Pressverformung auch starken Verformungen unterzogen werden kann.It may be advantageous if the thickness of the thermoplastic tape is in the range of 0.01 to 2 mm, preferably in the range of 0.2 to 1.5 mm, preferably in the range of 0.8 to 1.2 mm. Such a thermoplastic tape is sufficiently stable and flexible for the production of lightweight structures in automotive, aircraft and mechanical engineering, in particular force introduction and force dissipation elements or structures, so that the thermoplastic tape can be subjected to strong deformations in the context of compression molding.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, wenn die Breite des Thermoplastbandes im Bereich von 5 bis 100 mm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 80 mm, bevorzugt im Bereich von 30 bis 80 mm liegt. Ein derartiges Thermoplastband deckt die zu erwartenden Dimensionen von Krafteinleitungs- und Kraftableitungselementen oder Tragwerkstrukturen im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau hinreichend ab.It may prove useful if the width of the thermoplastic tape in the range of 5 to 100 mm, preferably in the range of 20 to 80 mm, preferably in the range of 30 to 80 mm. Such a thermoplastic tape covers the expected dimensions of force introduction and force dissipation elements or structures structures in automotive, aircraft and mechanical engineering sufficient.
Es kann hilfreich sein, wenn das Thermoplastband mit Endlosfasern aus Glas und/oder Aramid und/oder Kohlenstoff verstärkt ist, wobei die Endlosfasern vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen in Längsrichtung des Thermoplastbandes verlaufen. Ein derartiges Thermoplastband ist praxiserprobt und kostengünstig verfügbar. Der Verlauf der Endlosfasern in Längsrichtung des Thermoplastbandes kann deren Ausrichtung entlang des Vektors des real wirkendenden Lastpfades in dem 3D-Formteil in besonderem Maße begünstigen.It may be helpful if the thermoplastic band is reinforced with continuous fibers of glass and / or aramid and / or carbon, wherein the continuous fibers preferably run exactly or substantially in the longitudinal direction of the thermoplastic band. Such a thermoplastic tape is field-tested and available at low cost. The course of the continuous fibers in the longitudinal direction of the thermoplastic strip can favor their orientation along the vector of the real-acting load path in the 3D molded part to a particular degree.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Presswerkzeug zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem faserverstärkten Thermoplastband, vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach einer der vorangehenden Ausführungen, wobei das Presswerkzeug einen Kanal aufweist, welcher zwischen einer Matrize und einer Patrize des Presswerkzeugs exakt oder im Wesentlichen in der Bewegungsebene des Presswerkzeugs verläuft, wobei der Kanal vorzugsweise den Vektor des projizierten Lastpfades des zu formenden dreidimensionalen Formteils in der Bewegungsebene des Presswerkzeugs abbildet. A further independent aspect of the present invention relates to a pressing tool for producing three-dimensional molded parts from a fiber-reinforced thermoplastic tape, preferably according to the method according to one of the preceding embodiments, wherein the pressing tool has a channel which is exactly or substantially between a die and a male of the pressing tool in the plane of movement of the pressing tool, wherein the channel preferably the vector of the projected load path of forming three-dimensional molding in the plane of movement of the pressing tool images.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in der Beschreibung sowie den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale.Further advantageous developments of the invention will become apparent from combinations of the features disclosed in the description as well as the claims and the drawings.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt in den Ansichten (a) bis (c) schematisch die Schritte A bis C des erfindungsgemäßen Verfahrens.1 shows in the views (a) to (c) schematically the steps A to C of the inventive method. -
2 zeigt in den Ansichten (a) und (b) schematisch den Schritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens vor und nach dem Schließen des Presswerkzeugs, und in Ansicht (c) das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formteil.2 shows in the views (a) and (b) schematically the step D of the inventive method before and after the closing of the pressing tool, and in view (c) the molded part produced by the inventive method.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsDetailed Description of the Preferred Embodiment
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben.The preferred embodiment of the invention will be described below in detail with reference to the figures.
In ein aus Matrize bzw. Unterform oder Unterteil
Nachdem das Thermoplastband
Anschließend fährt senkrecht zum Kanal
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte 3D-Formteil 6 besitzt eine Endlosfaserverstärkung mit thermoplastischer Matrix, wobei das strukturgebende oder strukturintegrierte Thermoplastband
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- ThermoplastbandThermoplastic tape
- 22
- Presswerkzeugpress tool
- 2a2a
- Matrizedie
- 2b2 B
- Patritzepatritze
- 33
- Kanalchannel
- 3a3a
- Erstes Ende des KanalsFirst end of the channel
- 3b3b
- Zweites Ende des KanalsSecond end of the canal
- 44
- Elektrodenelectrodes
- 55
- Rolle des ThermoplastbandesRoll of thermoplastic tape
- 66
- Dreidimensionales (3D-)Formteil bzw. (Leichtbau-)StrukturThree-dimensional (3D) molded part or (lightweight) structure
- AQAQ
- Ausgangsquerschnitt des ThermoplastbandesOutput cross-section of the thermoplastic tape
- BB
- Bewegungsebene des PresswerkzeugsMovement level of the pressing tool
- EQEQ
- Endquerschnitt des dreidimensionalen FormteilsEnd cross-section of the three-dimensional molding
- LL
- Längsrichtung des ThermoplastbandesLongitudinal direction of the thermoplastic tape
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011054287 A1 [0005]DE 102011054287 A1 [0005]
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-
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