DE102017201091A1 - Manufacturing method for producing a thermoplastic component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils (1), dass das Erwärmen, Umformen, Erwärmen, Weiterumformen und Abkühlen des thermoplastischen Halbzeugs (2) umfasst und dass eine Schaumstruktur des thermoplastischen Halbzeugs (2) kollabieren lässt.The invention relates to a production method for producing a thermoplastic component (1), which comprises the heating, forming, heating, further shaping and cooling of the thermoplastic semifinished product (2) and that causes a foam structure of the thermoplastic semifinished product (2) to collapse.
Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines thermoplastischen Hartschaumkerns.The invention relates to a manufacturing method for producing a thermoplastic component, in particular for producing a thermoplastic foam core.
Für komplexe Sandwichbauteile werden in der Industrie oft Hartschaumkerne verwendet, die einen dünnen Rand ausbilden müssen an dem die Decklagen, die meist aus Kohlefasern oder anderen Fasermaterialien bestehen und mit dem Hartschaumkern das Sandwichbauteil bilden, zusammengeführt werden. Ein solches Herstellungsverfahren für ein Sandwichbauteil wird beispielsweise in der
Solche Hartschaumkerne bzw. Kerne bzw. thermoplastische Bauteile werden bisher durch spanende Bearbeitung oder durch Aufschäumen hergestellt, was jedoch langsam und aufwändig und dadurch teuer ist.Such hard foam cores or cores or thermoplastic components are previously produced by machining or by foaming, but this is slow and expensive and therefore expensive.
Gewöhnliche Thermoformprozesse sind für die Herstellung solcher Kerne jedoch nicht verwendbar, da bei dem Fertigungsprozess zur Herstellung der Sandwichbauteile die zuvor durch einen Thermoformprozess geformten Randbereiche eines Kerns durch Druck und Temperatur wieder verformt werden. Die Randbereiche, die spitz auslaufend ausgeformt sein müssen, um die Deckschichten zusammen zuführen, verlieren bei dem Fertigungsprozess wieder ihren Zusammenhalt und lassen daher keine dauerhafte Formgebung der Sandwichbauteile zu. Zudem können die Randbereiche in einem herkömmlichen Thermoformprozess nicht auf die gewünschte und für einen fließenden, optisch ansprechenden Übergang nötigen Dicken verdichtet werden.However, ordinary thermoforming processes are not suitable for the production of such cores, since in the manufacturing process for producing the sandwich components, the edges of a core previously formed by a thermoforming process are deformed again by pressure and temperature. The edge regions, which must be formed tapering point to feed the outer layers together, lose their cohesion in the manufacturing process and therefore do not allow permanent shaping of the sandwich components. In addition, the edge regions in a conventional thermoforming process can not be compressed to the desired and necessary for a flowing, visually appealing transition thicknesses.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbeschriebenen Nachteile zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, um ein thermoplastisches Halbzeug schnell und günstig zu einem thermoplastischen Bauteil umzuformen, wobei vorbestimmte Bereiche irreversibel umgeformt werden sollen, um das thermoplastische Bauteil zumindest Abschnittsweise formstabil zu gestalten.The invention is therefore an object of the invention to overcome the disadvantages described above and to provide a method to transform a thermoplastic semi-finished quickly and inexpensively to a thermoplastic component, said predetermined areas to be irreversibly reshaped to make the thermoplastic component dimensionally stable at least in sections.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to
Erfindungsgemäß wird ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils vorgeschlagen, das zumindest folgende Schritte umfasst:
- • Erwärmen zumindest eines ersten Abschnitts eines thermoplastischen Halbzeugs auf eine erste Temperatur T1, sodass der erste Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs thermoplastisch verformbar ist;
- • Umformen des auf die Temperatur T1 erwärmten ersten Abschnitts des thermoplastischen Halbzeugs von seiner Ausgangsform auf eine endkonturnahe Form mit anschließendem Beibehalten eines Formzwangs des thermoplastischen Halbzeugs in der endkonturnahen Form;
- • Erwärmen zumindest eines zweiten Abschnitts des thermoplastischen Halbzeugs auf eine zweite Temperatur T2, bis der zumindest eine zweite Abschnitt einen schmelzflüssigen Zustand aufweist, wobei gilt, dass die Temperatur T2 größer ist als die Temperatur T1 bzw. T2>T1;
- • Weiterumformen des thermoplastischen Halbzeugs auf die Form des thermoplastischen Bauteils; und
- • Abkühlen zumindest des ersten und des zumindest einen zweiten Abschnitts des thermoplastischen Halbzeugs auf eine dritte Temperatur T3, wobei gilt, dass die Temperatur T3 geringer ist als die Temperatur T1 bzw. T3<T1.
- Heating at least a first portion of a thermoplastic semifinished product to a first temperature T 1 so that the first portion of the thermoplastic semifinished product is thermoplastically deformable;
- • Forming of the heated to the temperature T 1 first portion of the thermoplastic semi-finished product from its initial shape to a final near-net shape with subsequent maintaining a shape compulsion of the thermoplastic semi-finished product in the near-net shape;
- Heating at least a second section of the thermoplastic semifinished product to a second temperature T 2 until the at least one second section has a molten state, provided that the temperature T 2 is greater than the temperature T 1 or T 2 > T 1 ;
- Further molding of the thermoplastic semi-finished product to the shape of the thermoplastic component; and
- Cooling at least the first and the at least one second section of the thermoplastic semifinished product to a third temperature T 3 , wherein the temperature T 3 is lower than the temperature T 1 or T 3 <T 1 .
Als ein thermoplastisches Bauteil, ein Kern, ein Hartschaumbauteil bzw. ein Hartschaumkern wird ein Bauteil verstanden, das aus einem thermoplastisch verformbaren Material besteht. Ebenso wird unter einem thermoplastischen Halbzeug ein, aus einem thermoplastisch verformbaren Material bestehendes, Ausgangsprodukt verstanden.As a thermoplastic component, a core, a rigid foam component or a hard foam core is understood a component which consists of a thermoplastically deformable material. Likewise, a thermoplastic semifinished product is understood as meaning a starting product consisting of a thermoplastically deformable material.
Das Abkühlen ist passiv über Kühlflächen oder aktiv über Kühlkanäle durchführbar. Für das aktive Abkühlen sind vorteilhafterweise mehrere Kühlkanäle vorgesehen, die die Temperatur über ein wärmespeicherndes und wärmetransportierendes Medium, wie beispielsweise Öl abführen. Vorteilhaft für das aktive Abkühlen sind mehrere Ölkreisläufe.Cooling can be carried out passively via cooling surfaces or actively via cooling channels. For active cooling, a plurality of cooling channels are advantageously provided, which dissipate the temperature via a heat-storing and heat-transporting medium, such as oil. Advantageous for the active cooling are several oil circuits.
Durch das Umformen bei oder nahe an der Temperatur T1 entstehen, insbesondere in den Bereichen mit einem hohen Umformungsgrad, innere Spannungen in dem thermoplastischen Halbzeug. Die inneren Spannungen führen dazu, dass die jeweiligen Bereiche, in denen die inneren Spannungen liegen, den Zusammenhalt in den nachfolgenden Fertigungsschritten zur Fertigung eines Sandwichbauteils verlieren können. Um die inneren Spannungen zu minimieren und dem thermoplastischen Bauteil eine hohe Formstabilität zu verleihen werden die Bereiche bzw. zweiten Abschnitte, die in den nachfolgenden Fertigungsschritten ihre Form verlieren können, auf die Temperatur T2 erhitzt. Das thermoplastische Material verschmilzt in diesen Bereichen bzw. zweiten Abschnitten zumindest teilweise miteinander, wodurch eine eventuell vorhandene Schaumstruktur kollabiert bzw. aufgelöst wird. Die Dauer des Erwärmens der zweiten Abschnitte auf die Temperatur T2 beträgt vorzugsweise unter 120 Sekunden, weiter vorzugsweise zwischen 10 und 30 Sekunden. Die Dauer des Abkühlens auf die Temperatur T3 beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 2 Minuten.By forming at or near the temperature T 1 , in particular in the regions with a high degree of deformation, internal stresses arise in the thermoplastic semifinished product. The internal stresses cause the respective areas in which the internal stresses are located to lose the cohesion in the subsequent manufacturing steps for the production of a sandwich component. In order to minimize the internal stresses and to give the thermoplastic component a high dimensional stability, the regions or second portions, which may lose their shape in the subsequent manufacturing steps, are heated to the temperature T 2 . The thermoplastic material at least partially fuses with each other in these regions or second sections, whereby a possibly present foam structure is collapsed or dissolved. The duration of the heating of the second sections to the temperature T 2 is preferably less than 120 seconds, more preferably between 10 and 30 seconds. The Duration of cooling to the temperature T 3 is preferably between 1 and 2 minutes.
Der erste Abschnitt erstreckt sich zumindest über einen Teil der Länge des thermoplastischen Halbzeugs, vorzugsweise wird das gesamte thermoplastische Halbzeug auf die Temperatur T1 erwärmt.The first section extends over at least part of the length of the thermoplastic semifinished product, preferably the entire thermoplastic semifinished product is heated to the temperature T 1 .
Vorteilhaft ist ferner, wenn die erste Temperatur T1 in einem Temperaturbereich des thermoplastischen Halbzeugs liegt, in dem das thermoplastische Halbzeug thermoplastisch verformbar ist, die zweite Temperatur T2 gleich oder über der Schmelztemperatur des thermoplastischen Halbzeugs ist und/oder die dritte Temperatur T3 unterhalb des Temperaturbereichs des thermoplastischen Halbzeugs liegt, in dem das thermoplastische Halbzeug thermoplastisch verformbar ist. Vorzugsweise liegt die Temperatur T1 zwischen 210 °C und 230 °C, die Temperatur T2 zwischen 260 °C und 265 °C und die Temperatur T3 zwischen 80 °C und 100 °C.It is also advantageous if the first temperature T 1 is in a temperature range of the thermoplastic semifinished product in which the thermoplastic semifinished product is thermoplastically deformable, the second temperature T 2 is equal to or above the melting temperature of the thermoplastic semifinished product and / or the third temperature T 3 below the temperature range of the thermoplastic semifinished product, in which the thermoplastic semifinished product is thermoplastically deformable. Preferably, the temperature T 1 is between 210 ° C and 230 ° C, the temperature T 2 between 260 ° C and 265 ° C and the temperature T 3 between 80 ° C and 100 ° C.
Für das Verfahren ist es ferner von Vorteil, dass das thermoplastische Halbzeug aus einem thermoplastisch verformbaren Kunststoff, insbesondere PET, gebildet ist und dass der thermoplastisch verformbare Kunststoff in einer Schaumstruktur vorliegt bzw. als ein thermoplastischer Hartschaum ausgebildet ist.For the method, it is also advantageous that the thermoplastic semifinished product is formed from a thermoplastically deformable plastic, in particular PET, and that the thermoplastically deformable plastic is present in a foam structure or is formed as a thermoplastic rigid foam.
Von Vorteil ist bei einer Weiterbildung, dass der auf die Temperatur T1 erwärmte erste Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs von seiner Ausgangsform durch ein Presswerkzeug, das eine erste und eine zweite Presswerkzeugseite umfasst, die auf das Halbzeug mit einer vorbestimmten Kraft umformend einwirken, auf die endkonturnahe Form umgeformt wird. Das Presswerkzeug kühlt dabei das thermoplastische Halbzeug auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur T1, wobei das Presswerkzeug vorzugsweise Temperatur T3 aufweist.It is advantageous in a development that the heated to the temperature T 1 first portion of the thermoplastic semi-finished product from its initial shape by a pressing tool comprising a first and a second pressing tool side, which act on the semifinished with a predetermined force reshaping, on the near net shape Form is reshaped. The pressing tool cools the thermoplastic semi-finished product to a temperature below the temperature T 1 , wherein the pressing tool preferably has temperature T 3 .
Der erste Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs mit dem zumindest einem zweiten Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs der auf die zweite Temperatur T2 erhitzt wird, wird vorteilhafterweise von dem Presswerkzeug auf die Form des thermoplastischen Bauteils weiterumgeformt, wobei die vorbestimmte Kraft gehalten oder erhöht wird. Das Weiterumformen wird nach oder parallel zu der Erwärmung des zweiten Abschnitts auf die Temperatur T2 durchgeführt.The first section of the thermoplastic semifinished product with the at least one second section of the thermoplastic semifinished product which is heated to the second temperature T 2 is advantageously further transformed from the pressing tool to the shape of the thermoplastic component, wherein the predetermined force is maintained or increased. The further forming is carried out after or in parallel with the heating of the second section to the temperature T 2 .
Der zumindest eine zweite Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs ist vorteilhafterweise ein sich entlang einer Längsrichtung X des thermoplastischen Bauteils erstreckender Außenrandbereich des thermoplastischen Bauteils.The at least one second section of the thermoplastic semifinished product is advantageously an outer edge region of the thermoplastic component extending along a longitudinal direction X of the thermoplastic component.
Von Vorteil ist ferner, dass sich der zumindest eine zweite Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs durch das Um- und Weiterumformen in eine Breitenrichtung Y, die orthogonal zu der Längsrichtung X verläuft, von einer ersten Höhe H1 stetig auf eine zweite Höhe H2 verringert, wobei die zweite Höhe vorzugsweise zwischen 5% und 10% der Höhe H1 ist. Die Höhe H2 ist vorteilhafterweise soweit verringerbar, dass sich der außenliegende Abschnitt von dem thermoplastischen Bauteil ablöst und ein spitz zulaufendes Ende ausgebildet wird.A further advantage is that the at least one second section of the thermoplastic semifinished product is reduced continuously from a first height H1 to a second height H2 by the reshaping and further forming in a width direction Y that is orthogonal to the longitudinal direction X, wherein the second Height is preferably between 5% and 10% of the height H1. The height H2 is advantageously reduced so far that the outer portion separates from the thermoplastic component and a tapered end is formed.
Die zweite Höhe entlang der Längsrichtung X wird ferner vorteilhafterweise intervallartig variiert, sodass in die Längsrichtung X Abschnitte mit sich unterscheidenden zweiten Höhen H2 entstehen, die weiter außenliegende Abschnitte des thermoplastischen Halbzeugs durch Stege an dem thermoplastischen Bauteil halten und die den Außenrandbereich des thermoplastischen Bauteils bilden und von den außenliegenden Abschnitten des thermoplastischen Halbzeugs getrennt sind. Durch die Stege werden die außenliegenden Abschnitte des thermoplastischen Halbzeugs an dem thermoplastischen Bauteil gehalten und sind ohne zusätzliche Maßnahmen aus dem Presswerkzeug entnehmbar. Die außenliegenden Abschnitte können durch nachfolgende Fertigungsschritte einfach von dem thermoplastischen Bauteil abgetrennt bzw. abgebrochen werden.The second height along the longitudinal direction X is also advantageously varied at intervals, so that in the longitudinal direction X sections with differing second heights H2 arise that hold outward portions of the thermoplastic semi-finished by webs on the thermoplastic component and which form the outer edge region of the thermoplastic component and are separated from the outer portions of the thermoplastic semi-finished product. By the webs, the outer portions of the thermoplastic semi-finished product are held on the thermoplastic component and can be removed without additional measures from the pressing tool. The outer sections can be easily separated or broken off from the thermoplastic component by subsequent manufacturing steps.
Vorteilhaft ist ferner, dass bei dem Herstellungsverfahren
- • ein quaderförmiges Hartschaumhalbzeug auf die Temperatur T1 erhitzt und von einem Presswerkzeug umgeformt wird, sodass eine Höhe des quaderförmigen Hartschaumhalbzeugs in seinen außenliegenden Randbereichen in seine Breitenrichtung stetig reduziert ist und
- • das quaderförmige Hartschaumhalbzeug zumindest in einem Bereich der stetig reduzierten Höhe auf die Temperatur T2 erhitzt und von dem Presswerkzeug auf die Form des thermoplastischen Bauteils umgeformt wird, sodass der Bereich der stetig reduzierten Höhe zumindest zum Teil verschmolzen wird und in eine Längsrichtung des Hartschaumhalbzeugs auf der jeweils außenliegenden Seite des Bereichs mit stetig reduzierter Höhe zumindest Abschnittsweise einen außenliegenden Randbereich des thermoplastischen Bauteils gebildet wird.
- • A cuboid rigid foam semi-finished product is heated to the temperature T 1 and formed by a pressing tool, so that a height of the cuboid hard foam semi-finished in its outer edge regions in its width direction is steadily reduced, and
- • The cuboid hard foam semi-finished product is heated at least in a region of steadily reduced height to the temperature T 2 and formed by the pressing tool on the shape of the thermoplastic component, so that the region of the continuously reduced height is at least partially fused and in a longitudinal direction of the rigid foam semi-finished product the respective outer side of the region with continuously reduced height is formed at least in sections an outer edge region of the thermoplastic component.
Durch das Anliegen des Presswerkzeugs an dem thermoplastischen Halbzeug wird der Formzwang aufrechterhalten und das thermoplastische Halbzeug bei oder nach dem teilweise Erwärmen auf die Temperatur T2 weiter umgeformt.As a result of the abutment of the pressing tool on the thermoplastic semifinished product, the compulsory mold is maintained and the thermoplastic semifinished product is further shaped during or after the partial heating to the temperature T 2 .
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine zweite Abschnitt des thermoplastischen Halbzeugs ein sich entlang einer Längsrichtung X des thermoplastischen Bauteils erstreckender Zentralbereich ist, in dem eine Höhe des thermoplastischen Bauteils reduziert ist. Dadurch können in dem Zentralbereich des thermoplastischen Bauteils Rippen und Versteifungen ausgebildet werden, die das thermoplastische Bauteil stabilisieren, belastbarer machen und das Verbinden mit weiteren Schichten in nachfolgenden Prozessschritten ermöglichen, ohne das Form des thermoplastischen Bauteils verloren geht.Furthermore, it is advantageous if the at least one second section of the thermoplastic Semi-finished is a along a longitudinal direction X of the thermoplastic component extending central region in which a height of the thermoplastic component is reduced. As a result, ribs and stiffeners can be formed in the central region of the thermoplastic component, which stabilize the thermoplastic component, make it more resilient and enable the connection to further layers in subsequent process steps, without losing the shape of the thermoplastic component.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.The features disclosed above can be combined in any way that is technically possible and they do not contradict each other.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein thermoplastisches Halbzeug und ein geöffnetes Presswerkzeug, -
2 ein thermoplastisches Halbzeug in einem geschlossenen Presswerkzeug, -
3 ein thermoplastisches Bauteil und ein geöffnetes Presswerkzeug, -
4 ein thermoplastisches Bauteil mit abgetrennten außenliegenden Bereichen eines Bauteils und ein geöffnetes Presswerkzeug, -
5 ein thermoplastisches Halbzeug, -
6 ein thermoplastisches Bauteil, -
7 ein weiteres thermoplastisches Halbzeug und ein Presswerkzeug.
-
1 a thermoplastic semi-finished product and an opened pressing tool, -
2 a thermoplastic semi-finished product in a closed pressing tool, -
3 a thermoplastic component and an opened pressing tool, -
4 a thermoplastic component with separated outer regions of a component and an opened pressing tool, -
5 a thermoplastic semi-finished product, -
6 a thermoplastic component, -
7 another thermoplastic semi-finished product and a pressing tool.
Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.The figures are exemplary schematic. Like reference numerals in the figures indicate like functional and / or structural features.
In
Die
Ein thermoplastisches Halbzeug
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnte das thermoplastische Bauteil eine vollkommen andere Grundform aufweisen.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. For example, the thermoplastic component could have a completely different basic shape.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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