DE102017216496A1 - Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic - Google Patents
Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic Download PDFInfo
- Publication number
- DE102017216496A1 DE102017216496A1 DE102017216496.4A DE102017216496A DE102017216496A1 DE 102017216496 A1 DE102017216496 A1 DE 102017216496A1 DE 102017216496 A DE102017216496 A DE 102017216496A DE 102017216496 A1 DE102017216496 A1 DE 102017216496A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fiber
- reinforced plastic
- component
- plastic component
- printer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/06—Fibrous reinforcements only
- B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
- B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
- B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
- B29L2031/00—Other particular articles
- B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
- B29L2031/3055—Cars
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff. Dabei wird an ein vorgefertigtes Kunststoffbauteil, insbesondere an ein Organoblech mittels eines 3D-Drucks, insbesondere mittels eines Schmelzschichtverfahrens eine weitere Kunststoffstruktur angespritzt.Es ist vorgesehen, dass bei dem 3D-Druck-Verfahren zur Anbringung einer weiteren Kunststoffstruktur eine Verstärkungsfaser eingebracht wird, welche eine lokale Verstärkung des Kraftfahrzeugbauteils ermöglicht.The invention relates to a method for producing a motor vehicle component from a fiber-reinforced plastic. In this case, a further plastic structure is molded on a prefabricated plastic component, in particular on an organic sheet by means of a 3D printing, in particular by means of a melt layer method. It is provided that in the 3D printing method for attaching a further plastic structure, a reinforcing fiber is introduced, which is a local reinforcement of the motor vehicle component allows.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a motor vehicle component from a fiber-reinforced plastic according to the preamble of claim 1.
Um den Leichtbauanforderungen der heutigen Automobilindustrie gerecht zu werden, finden immer häufiger faserverstärkte Kunststoffe mit ihrer hohen spezifischen mechanischen Festigkeit Anwendung im Automobilbau. So werden faserverstärkte Kunststoffe sowohl im Innenraum des Kraftfahrzeugs, als auch für äußere Bauteile wie Motorhauben, Kotflügel und andere Bauteile verwendet. Des weiteren sind Kraftfahrzeuge bekannt, bei denen die komplett tragende Struktur der Fahrgastzelle aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Insbesondere faserverstärkte Hybridstrukturen, beispielsweise metallische Einlegeteile welche in eine Faserverbundstruktur eingelegt sind, bieten durch ihre anpassbaren Bauteileigenschaften viele Anwendungsmöglichkeiten, um anforderungsgerechte Kraftfahrzeugbauteile zu fertigen. Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen jedoch eine starke Anisotropie auf, sodass die mechanische Belastbarkeit senkrecht zu der Faserrichtung deutlich geringer als in Faserrichtung ist. Eine große Anforderung besteht dabei darin, die Faserverstärkung so zu orientieren, dass die Fasern in Belastungsrichtung liegen, um die Lasten aufnehmen zu können. Die Fasern müssen wegen der stark orthotropen Eigenschaften eines endlosfaserverstärkten Kunststoffs in Belastungsrichtung orientiert werden. Das bedeutet, dass der endlosfaserverstärkte Kunststoff in Faserrichtung eine höhere Festigkeit als quer zu dieser Faserrichtung aufweist.In order to meet the lightweight design requirements of today's automotive industry, fiber-reinforced plastics with their high specific mechanical strength are increasingly being used in the automotive industry. Thus, fiber-reinforced plastics are used both in the interior of the motor vehicle, as well as for external components such as hoods, fenders and other components. Furthermore, motor vehicles are known in which the fully supporting structure of the passenger compartment is made of fiber-reinforced plastic. In particular, fiber-reinforced hybrid structures, for example metallic inserts which are inserted into a fiber composite structure, offer many application possibilities due to their adaptable component properties, in order to produce motor vehicle components that meet the requirements. However, fiber reinforced plastic components have a strong anisotropy, so that the mechanical load capacity perpendicular to the fiber direction is significantly lower than in the fiber direction. A major requirement is to orient the fiber reinforcement so that the fibers are in the loading direction to accommodate the loads. The fibers must be oriented in the direction of loading because of the highly orthotropic properties of a continuous fiber-reinforced plastic. This means that the continuous fiber reinforced plastic in the fiber direction has a higher strength than transverse to this fiber direction.
Je nach Bauteilgeometrie und Belastungszustand ergibt sich somit die erforderliche Faserorientierung im Kunststoffbauteil. Das Kunststoffbauteil wird dann über die gesamte Geometrie mit Fasern verstärkt, um die Belastungen aufnehmen zu können. Der Kraftfluss durch die Bauteilgeometrie liegt zwar in vielen Fällen lediglich zwischen den Anbindungspunkten, die Faserverstärkung wird aus verfahrenstechnischen Gründen aber fast über die gesamte Bauteilgeometrie vorgenommen. Die Faserverstärkung erfolgt somit auch in den Bereichen des Kunststoffbauteils, in denen der Kraftfluss eine Verstärkung nicht erfordert. Dadurch werden viele Kunststoffbauteile mit den im Verhältnis zum Kunststoff teuren Verstärkungsfasern unnötigerweise verstärkt. Mit Hilfe einer Topologieoptimierung können die Bereiche des Kraftflusses detektiert werden, in denen eine Verstärkung durch die Fasern erforderlich ist. Eine gezielte lokale Faserverstärkung eines Kunststoffbauteils aus thermoplastischem Kunststoff wird konventionell durch das Hinterspritzen von thermogeformten Organoblechen realisiert. Hierfür werden oft komplexe Spritzgusswerkzeuge mit Kernzügen oder Ähnlichem benötigt, was die Werkzeugkosten und somit den Spritzgussprozess deutlich verteuert.Depending on the component geometry and load condition, the required fiber orientation in the plastic component thus results. The plastic component is then reinforced over the entire geometry with fibers to accommodate the loads can. Although the force flow through the component geometry is in many cases only between the connection points, the fiber reinforcement is carried out for procedural reasons almost over the entire component geometry. The fiber reinforcement is thus also in the areas of the plastic component, in which the power flow does not require reinforcement. As a result, many plastic components are unnecessarily reinforced with the expensive in relation to the plastic reinforcing fibers. Topology optimization can be used to detect the areas of force flow where reinforcement by the fibers is required. A targeted local fiber reinforcement of a plastic component made of thermoplastic material is conventionally realized by the injection molding of thermoformed organo sheets. For this purpose, complex injection molding tools with core pulls or the like are often required, which significantly increases the cost of tools and thus the injection molding process.
Ein bereits bewährtes Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Hybridstruktur ist das Hinterspritzen von thermogeformten Organoblechen. Organobleche bestehen wahlweise aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern, welche in eine thermoplastische Matrix, insbesondere aus Polypropylen oder Polyamid, eingebettet sind. Der Grund für diese Kombination der Fertigungsverfahren „Spritzgießen“ und „Thermoformen“ liegt in der Ausnutzung der guten mechanischen Eigenschaften von Organoblechen vor allem bei Stoßbeanspruchungen auf der einen Seite und der erhöhten Designfreiheit des Spritzgußprozesses auf der anderen Seite. Für das Fertigen von Kleinserien und Prototypen oder Versuchsträgern ist das Hinterspritzen von thermogeformten Organoblechen zwar möglich, durch die hohen Werkzeugkosten für die komplexen Spritzgusswerkzeuge jedoch sehr kostenintensiv. Dabei ist die Orientierung der Verstärkungsfasern durch die Einbettung der Fasermatten in die Organobleche vorgegeben und kann nicht flexibel an die entsprechende Bauteilgeometrie des faserverstärkten Kunststoffbauteils angepasst werden.An already proven method for producing a fiber-reinforced hybrid structure is the back-molding of thermoformed organo sheets. Organic sheets are optionally made of glass fibers or carbon fibers which are embedded in a thermoplastic matrix, in particular of polypropylene or polyamide. The reason for this combination of the manufacturing processes "injection molding" and "thermoforming" lies in the exploitation of the good mechanical properties of organo sheets, especially with impact loads on the one hand and the increased design freedom of the injection molding process on the other. Although the injection molding of thermoformed organic sheets is possible for the production of small batches and prototypes or test carriers, it is very costly due to the high tool costs for the complex injection molding tools. The orientation of the reinforcing fibers is predetermined by the embedding of the fiber mats in the organic sheets and can not be flexibly adapted to the corresponding component geometry of the fiber-reinforced plastic component.
Aus der
Aus der
Die
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem vorgefertigten Kunststoffteil auf einfache und kostengünstige Weise eine gezielte Verstärkung des Bauteils zu ermöglichen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.The invention is based on the object, in a prefabricated plastic part in a simple and cost-effective manner to allow a targeted reinforcement of the component and from the Prior art overcome known disadvantages.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils für ein Kraftfahrzeug gelöst, wobei an ein vorgefertigtes Kunststoffbauteil eine faserverstärkte Kunststoffstruktur mittels eines 3D-Druck-Verfahrens angeformt wird. Das vorgefertigte Kunststoffteil wird dabei vorzugsweise durch ein thermisches Umformen oder einen Spritzgussprozess hergestellt. Somit kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise das vorgefertigte Kunststoffteil hergestellt werden, sodass die Herstellkosten im Vergleich zu einem Bauteil welches, vollständig in einem 3D-Druck hergestellt ist, deutlich geringer ausfallen. Durch eine gezielte Anformung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur kann das vorgefertigte Kunststoffbauteil gezielt an den Stellen verstärkt werden, an denen eine Verstärkung aufgrund eines durch Simulation oder Experiment ermittelten Kraftflusses sinnvoll oder notwendig ist. Dabei können die restlichen Bereiche frei von Fasermaterial ausgeführt werden, wodurch das im Vergleich zu der Kunststoffmatrix teure Fasermaterial eingespart werden kann. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Werkstoff der in dem 3D-Druck auf das vorgefertigte Kunststoffteil aufgetragenen Kunststoffstruktur identisch mit dem Werkstoff des vorgefertigten Kunststoffteils ist. Dadurch ist eine stoffschlüssige Anbindung der faserverstärkten Kunststoffstruktur an das vorgefertigte Kunststoffteil möglich. Dabei sind zur Verstärkung des vorgefertigten Kunststoffbauteils keine komplexen und kostenintensiven Spritzgusswerkzeuge notwendig, sodass gerade bei Kleinserien, Prototypen und Versuchsträgern die Fertigungskosten drastisch reduziert werden können. Zusätzlich kann Entwicklungszeit eingespart werden, da die Versuchsträger schneller zur Verfügung gestellt werden können und die Fertigstellung von Bauteilen nicht durch das Herstellen der Spritzgusswerkzeuge für die Hinterspritzung verzögert wird.According to the invention this object is achieved by a method for producing a fiber-reinforced plastic component for a motor vehicle, wherein a fiber-reinforced plastic structure is formed by means of a 3D printing process on a prefabricated plastic component. The prefabricated plastic part is preferably produced by a thermal forming or an injection molding process. Thus, the prefabricated plastic part can be produced in a simple and cost-effective manner, so that the manufacturing costs compared to a component which, is completely made in a 3D printing, significantly lower. By means of a targeted formation of a fiber-reinforced plastic structure, the prefabricated plastic component can be purposefully reinforced at the points where reinforcement is sensible or necessary on the basis of a force flow determined by simulation or experiment. The remaining areas can be performed free of fiber material, whereby the expensive in comparison to the plastic matrix fiber material can be saved. It is particularly preferred if the material of the plastic structure applied to the prefabricated plastic part in the 3D printing is identical to the material of the prefabricated plastic part. As a result, a material connection of the fiber-reinforced plastic structure to the prefabricated plastic part is possible. In this case, no complex and expensive injection molding tools are necessary to reinforce the prefabricated plastic component, so that especially in small batches, prototypes and experimental vehicles, the production costs can be drastically reduced. In addition, development time can be saved, since the test carriers can be made available faster and the completion of components is not delayed by producing the injection molding tools for the back injection.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils für ein Kraftfahrzeug möglich.The features listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim listed method for producing a fiber-reinforced plastic component for a motor vehicle are possible.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das 3D-Druck-Verfahren als Schmelzschichtverfahren ausgeführt wird. Durch ein Schichtschmelzverfahren kann auf einfache und vergleichsweise kostengünstige Art eine Kunststoffstruktur an das vorgefertigte Kunststoffbauteil angedruckt werden. Dabei können die Verstärkungsfasern in den noch flüssigen Kunststoff eingebettet werden, sodass die Faserverstärkung mit dem Aushärten des Kunststoffs im Rahmen des 3D-Druck-Verfahrens erfolgt. Anders als bei einem Aushärten eines Photopolymers unter UV-Licht ist keine zusätzliche Beleuchtung des Bauteils notwendig, sodass das Schmelzschichtverfahren besonders geeignet ist, um auf ein bestehendes Bauteil eine Verstärkungsstruktur anzuformen.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the 3D printing method is carried out as a melt layer method. By a layer melting method, a plastic structure can be printed on the prefabricated plastic component in a simple and comparatively inexpensive manner. In this case, the reinforcing fibers can be embedded in the still liquid plastic, so that the fiber reinforcement takes place with the curing of the plastic in the context of the 3D printing process. Unlike curing a photopolymer under UV light, no additional illumination of the device is necessary so that the melt layer process is particularly suitable for forming a reinforcing structure on an existing device.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist mit Vorteil vorgesehen, dass die faserverstärkte Kunststoffstruktur eine lokale Endlosfaserverstärkung aufweist, wobei die Orientierung der Verstärkungsfaser in der faserverstärkten Kunststoffstruktur in dem 3D-Druck-Verfahren festgelegt wird. Durch eine Endlosfaser ist eine gezielte Anordnung und Ausrichtung der Verstärkungsfasern in dem durch den 3D-Druck hergestellten Matrixmaterial der faserverstärkten Kunststoffstruktur möglich. Dabei können die Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern oder Kohlenstofffasern, in Kraftflussrichtung einer vermuteten Hauptbelastung auf das Kunststoffbauteil angeordnet werden, um die Kräfte aufzunehmen und entsprechend abzuleiten. Somit kann durch die angedruckte faserverstärkte Kunststoffstruktur auf gezielte Art und Weise eine deutliche Steigerung der Bauteilfestigkeit erreicht werden. Die Zufuhr der Endlosfaser erfolgt vorzugsweise durch ein Abrollen von Fasern von einem entsprechenden Träger.In a preferred embodiment of the method, it is advantageously provided that the fiber-reinforced plastic structure has a local continuous fiber reinforcement, wherein the orientation of the reinforcement fiber in the fiber-reinforced plastic structure is determined in the 3D printing method. By means of an endless fiber, a targeted arrangement and alignment of the reinforcing fibers in the matrix material of the fiber-reinforced plastic structure produced by the 3D printing is possible. In this case, the reinforcing fibers, in particular glass fibers or carbon fibers, can be arranged in the force flow direction of a presumed main load on the plastic component in order to absorb the forces and to discharge accordingly. Thus, a significant increase in component strength can be achieved by the printed fiber-reinforced plastic structure in a targeted manner. The supply of the continuous fiber is preferably carried out by unrolling fibers from a corresponding carrier.
In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfaser entlang einer oder durch eine Druckdüse des 3D-Druckers zugeführt werden. Um die Orientierung der Verstärkungsfasern zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkungsfasern über die Druckdüse des 3D-Druckers zugeführt werden. Dabei kann durch die Druckrichtung die Ausrichtung der Verstärkungsfaser erfolgen, wodurch eine Topologieoptimierung der Faserorientierung möglich ist. Außerdem reduziert sich der Materialeinsatz der Verstärkungsfasern, weil die Verstärkungsfasern nicht in Bereichen abgelegt werden, in denen keine Faserverstärkung notwendig ist.In an advantageous improvement of the invention it is provided that the reinforcing fiber are fed along or through a pressure nozzle of the 3D printer. In order to allow the orientation of the reinforcing fibers, it is advantageous if the reinforcing fibers are fed via the printing nozzle of the 3D printer. In this case, the orientation of the reinforcing fiber can take place through the direction of printing, as a result of which topology optimization of the fiber orientation is possible. In addition, the material use of the reinforcing fibers is reduced because the reinforcing fibers are not deposited in areas where no fiber reinforcement is necessary.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das vorgefertigte Kunststoffbauteil ein Organoblech umfasst. Vorzugsweise ist das vorgefertigte Kunststoffbauteil einteilig als Organoblech ausgeführt. Organobleche sind Faser-Matrix-Halbzeuge. Sie bestehen aus einem Fasergewebe oder einem Fasergelege, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Vorteile einer thermoplastischen Matrix liegen in der Warmumformfähigkeit der Halbzeuge und den daraus resultierenden kürzeren Prozesszeiten im Vergleich zu konventionellen duroplastischen Faserverbundwerkstoffen. Dabei sind die Halbzeuge vollständig imprägniert und konsolidiert, das heißt die Verstärkungsfasern sind bereits vollständig mit Kunststoff benetzt, es befindet sich keine Luft mehr im Material und das Halbzeug wird lediglich durch Erwärmung und anschließendem Pressen in kurzen Zykluszeiten zu einem dreidimensionalen Bauteil umgeformt. Während der Umformung durchläuft der Werkstoff keine chemische Umwandlung, sodass es insbesondere nicht zu einer Bauteilschwächung durch ein Delaminieren der Verstärkungsfasern kommt. Dies ist besonders in der Automobilindustrie mit ihren kurzen Prozesszeiten von hohem Interesse. Häufig verwendete Faserwerkstoffe sind Glas, Aramid und Kohlenstoff (Carbon). Bei Geweben und Gelegen können die Fasern auch rechtwinklig zueinander verlaufen, sodass die mechanischen Eigenschaften von Organoblech wie Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeausdehnung besser als bei ihren metallischen Vorbildern definiert werden können. Im Gegensatz zu Metallblechen ist das Zug- und Druckverhalten, sowie andere mechanische und thermische Eigenschaften, nicht isotrop. Zudem sind Organobleche deutlich leichter als vergleichbare metallische Bleche. Somit weist sowohl das vorgefertige Kunststoffbauteil als auch die faserverstärkte Kunststoffstruktur eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht auf. Durch das Andrucken der faserverstärkten Kunststoffstruktur kann eine gezielte Verstärkung der Organobleche erfolgen, wobei insbesondere das Ableiten von Kräften senkrecht zu den Fasermatten der Organobleche deutlich verbessert werden kann. Durch die Ausbildung der Grundstruktur in einem thermischen Umformprozess des Organoblechs ist eine besonders kostengünstige Fertigung möglich. Dabei beträgt die faserverstärkte Kunststoffstruktur vorzugsweise maximal 10%, bevorzugt maximal 5%, besonders bevorzugt maximal 3% des Gesamtvolumens des Kunststoffbauteils. Dadurch muss in dem 3D-Druck-Prozess nur vergleichsweise wenig Material aufgetragen werden, wodurch kurze Zykluszeiten und vergleichsweise geringe Fertigungskosten möglich sind. Alternativ zu einem Organoblech ist eine Hybridstruktur aus einem Organoblech und einem Metallteil vorgesehen. Dabei ergeben sich durch die Kombination von thermischem Umformen und 3D-Druck der Versteifungsgeometrie Vorteile bezüglich des Bauteildesigns, sodass auch komplexe Geometrien, welche allein durch ein thermisches Umformen eines Organoblechs nicht realisiert werden könnten, auf einfache und kostengünstige Art dargestellt werden können. Ferner wird das Potenzial für den Leichtbau in einem Kraftfahrzeug und eine damit verbundene Reduzierung des Verbrauchs gesteigert, da der Anwendungsbereich durch das Aufdrucken von Funktionselementen, welche mit einem Spritzgussprozess nicht oder nur äußert schwierig darstellbar wären, erleichtert wird.According to a preferred embodiment of the method, it is provided that the prefabricated plastic component comprises an organic sheet. Preferably, the prefabricated plastic component is made in one piece as an organic sheet. Organic sheets are fiber-matrix semi-finished products. They consist of a fiber fabric or a fiber fabric embedded in a thermoplastic matrix. The advantages of a thermoplastic matrix lie in the hot forming capability of the semi-finished products and the resulting shorter process times compared to conventional thermoset fiber composites. The semi-finished products are completely impregnated and consolidated, that is, the reinforcing fibers are already completely wetted with plastic, there is no More air in the material and the semi-finished product is transformed into a three-dimensional component only by heating and subsequent pressing in short cycle times. During the forming process, the material does not undergo chemical transformation so that in particular component weakening does not occur due to delamination of the reinforcing fibers. This is of particular interest in the automotive industry with its short processing times. Frequently used fiber materials are glass, aramid and carbon (carbon). For woven and laid fibers, the fibers may also be perpendicular to each other, so that the mechanical properties of organo-sheet such as stiffness, strength and thermal expansion can be better defined than their metallic counterparts. In contrast to metal sheets, the tensile and compressive behavior, as well as other mechanical and thermal properties, is not isotropic. In addition, organic sheets are significantly lighter than comparable metallic sheets. Thus, both the prefabricated plastic component and the fiber-reinforced plastic structure has a high strength with low weight. By pressing the fiber-reinforced plastic structure, a targeted reinforcement of the organo-sheets can take place, wherein in particular the dissipation of forces perpendicular to the fiber mats of the organo-sheets can be significantly improved. By forming the basic structure in a thermal forming process of the organic sheet, a particularly cost-effective production is possible. The fiber-reinforced plastic structure is preferably not more than 10%, preferably not more than 5%, particularly preferably not more than 3%, of the total volume of the plastic component. As a result, only comparatively little material has to be applied in the 3D printing process, as a result of which short cycle times and comparatively low production costs are possible. As an alternative to an organic sheet, a hybrid structure of an organic sheet and a metal part is provided. This combination of thermal forming and 3D printing of the stiffening geometry advantages in terms of component design, so that even complex geometries, which could not be realized only by a thermal forming of an organic sheet, can be displayed in a simple and cost-effective manner. Furthermore, the potential for lightweight construction in a motor vehicle and a concomitant reduction in consumption are increased, since the field of application is made easier by the printing of functional elements which would not or only with great difficulty be represented by an injection molding process.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist mit Vorteil vorgesehen, dass das vorgefertigte Kunststoffbauteil auf einer Auflage eingespannt ist, welche mittels eines mehrachsigen Roboters in alle drei Koordinatenrichtungen verschiebbar und/oder verdrehbar ist. Durch eine Aufnahme des vorgefertigten Kunststoffteils, insbesondere eines thermisch umgeformten Organoblechs, ist eine besonders einfache Positionierung des Kunststoffbauteils zu der Druckdüse des 3D-Druckers möglich. Somit kann die faserverstärkte Kunststoffstruktur gezielt in den Bereichen aufgetragen werden, in denen eine Verstärkung notwendig ist.In a further improvement of the method is advantageously provided that the prefabricated plastic component is clamped on a support, which is displaceable and / or rotatable by means of a multi-axis robot in all three coordinate directions. By receiving the prefabricated plastic part, in particular a thermoformed organo-sheet, a particularly simple positioning of the plastic component to the printing nozzle of the 3D printer is possible. Thus, the fiber reinforced plastic structure can be selectively applied in the areas where reinforcement is necessary.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Druckdüsen des 3D-Druckers an einem Roboterkopf befestigt ist, welche in alle drei Koordinatenrichtungen verschiebbar und/oder verdrehbar ist. Durch eine schwenkbare und verschiebbare Druckdüse des 3D-Druckes kann die faserverstärkte Kunststoffstruktur auch in vergleichsweise schwer zugänglichen Bauteilabschnitten, beispielsweise in Hinterschnitten, angedruckt werden, wobei durch eine Kombination von verschiebbaren Aufnahmen für das vorgefertigte Kunststoffteil und die schwenkbare beziehungsweise verschiebbare Druckdüse des 3D-Druckers eine maximale Flexibilität erreicht wird.In a preferred embodiment of the invention it is provided that at least one of the printing nozzles of the 3D printer is attached to a robot head, which is displaceable and / or rotatable in all three coordinate directions. By a pivotable and displaceable pressure nozzle of the 3D printing, the fiber-reinforced plastic structure can be printed in comparatively difficult to access component sections, for example in undercuts, with a combination of slidable receptacles for the prefabricated plastic part and the pivotable or movable pressure nozzle of the 3D printer maximum flexibility is achieved.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Bewegung der Druckdüse und/oder die Bewegung der Aufnahme für das vorgefertigte Kunststoffbauteil mittels einer vorprogrammierten Bahnsteuerung gesteuert wird. Um eine einfache Automatisierung des Fertigungsprozesses zu ermöglichen, kann eine Bahnsteuerung für die Bewegung der Druckdüse und/oder der Aufnahme für das vorgefertigte Kunststoffbauteil vorgesehen werden. Dadurch ist eine prozesssichere, wiederholbare Fertigung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit faserverstärkten Kunststoffstrukturen zu Verstärkung möglich.To further improve the method is provided with advantage that the movement of the pressure nozzle and / or the movement of the receptacle for the prefabricated plastic component is controlled by means of a preprogrammed path control. In order to facilitate a simple automation of the manufacturing process, a path control for the movement of the printing nozzle and / or the receptacle for the prefabricated plastic component can be provided. As a result, process-reliable, repeatable production of fiber-reinforced plastic components with fiber-reinforced plastic structures for reinforcement is possible.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass an dem 3D-Drucker, insbesondere an einem Druckkopf des 3D-Druckers, ein Sensor angeordnet ist, mit welchem die Oberfläche des vorgefertigten Kunststoffbauteils abgetastet wird, um die angeformte faserverstärkte Kunststoffstruktur zu positionieren. Alternativ zu einer Bahnsteuerung kann an dem 3D-Drucker ein Sensor, insbesondere ein Lasersensor, vorgesehen werden, mit welchem die Bauteiloberfläche des vorgefertigten Kunststoffbauteils abgetastet wird, um die faserverstärkte Kunststoffstruktur zur Erhöhung der Bauteilstabilität gezielt in den hochbelasteten Bereichen anzudrucken.Alternatively, it is advantageously provided that a sensor is arranged on the 3D printer, in particular on a print head of the 3D printer, with which the surface of the prefabricated plastic component is scanned in order to position the molded fiber-reinforced plastic structure. As an alternative to a path controller, a sensor, in particular a laser sensor, can be provided on the 3D printer, with which the component surface of the prefabricated plastic component is scanned in order to specifically print the fiber-reinforced plastic structure in the heavily loaded regions in order to increase component stability.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Druckdüsen des 3D-Druckers vor und/oder während des Druckvorgangs der faserverstärkten Kunststoffstruktur beheizt wird. Durch ein Beheizen der Druckdüsen wird die Fließfähigkeit des aufzutragenden Kunststoffmaterials erhöht. Dabei weisen die Verstärkungsfasern in der Regel einen deutlich höheren Schmelzpunkt als der Kunststoff des Matrixmaterials auf, sodass die Verstärkungsfasern durch ein Beheizen der Druckdüsen nicht beschädigt werden. Durch eine Verbesserung der Fließfähigkeit kann die Geschwindigkeit des Fertigungsprozesses erhöht und der Verschleiß der Druckdüsen reduziert werden.In a further improvement of the invention, it is provided that at least one of the printing nozzles of the 3D printer is heated before and / or during the printing process of the fiber-reinforced plastic structure. By heating the pressure nozzles, the flowability of the plastic material to be applied is increased. The reinforcing fibers usually have a much higher melting point as the plastic of the matrix material so that the reinforcing fibers are not damaged by heating the pressure nozzles. By improving the flowability, the speed of the manufacturing process can be increased and the wear of the pressure nozzles can be reduced.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mittels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; -
2 die Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einer zweiten Position; -
3 ein Ausführungsbeispiel für ein Kraftfahrzeugbauteil, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann; und -
4 ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
-
1 an embodiment of a manufacturing apparatus for producing a fiber-reinforced plastic component by means of a manufacturing method according to the invention; -
2 the manufacturing device for producing a fiber-reinforced plastic component in a second position; -
3 an embodiment of a motor vehicle component, which can be produced by a method according to the invention; and -
4 a flow diagram for a method according to the invention for producing a fiber-reinforced plastic component.
Das vorgefertigte Kunststoffbauteil
An dem Druckkopf
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- 3D-Drucker3D printer
- 1212
- Druckdüsepressure nozzle
- 1414
- Heizelementheating element
- 1616
- Positioniervorrichtungpositioning
- 1818
- vorgefertigtes Kunststoffbauteil prefabricated plastic component
- 2020
- faserverstärkte Kunststoffstrukturfiber reinforced plastic structure
- 2222
- erste Faserzufuhrfirst fiber feed
- 2424
- zweite Faserzufuhrsecond fiber feed
- 2626
- Umlenkrolleidler pulley
- 2828
- Umlenkrolle idler pulley
- 3030
- Verstärkungsfaserreinforcing fiber
- 3232
- Verstärkungsfaserreinforcing fiber
- 3434
- Rollerole
- 3636
- Rollerole
- 3838
- Sensor sensor
- 4040
- Antriebseinheitdrive unit
- 4242
- Aufnahmeadmission
- 4444
- Tischtable
- 4646
- Industrieroboterindustrial robots
- 4848
- Sechsachsroboter Six-axis robot
- 5050
- Organoblechorganosheet
- 5252
- faserverstärktes Kunststoffbauteilfiber-reinforced plastic component
- 5454
- Druckkopfprinthead
- 5656
- Lasersensorlaser sensor
- 5858
- Oberfläche surface
- 6060
- Stirnflächeface
- 6262
- Elementelement
- 6464
- Türverkleidungdoor trim
- 6666
- Versteifungsrippenstiffening ribs
- 6868
- Funktionselementfunctional element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015222860 [0005]DE 102015222860 [0005]
- WO 2015/122555 A1 [0006]WO 2015/122555 A1 [0006]
- DE 102015016272 B3 [0007]DE 102015016272 B3 [0007]
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017216496.4A DE102017216496A1 (en) | 2017-09-18 | 2017-09-18 | Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017216496.4A DE102017216496A1 (en) | 2017-09-18 | 2017-09-18 | Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017216496A1 true DE102017216496A1 (en) | 2019-03-21 |
Family
ID=65526951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102017216496.4A Withdrawn DE102017216496A1 (en) | 2017-09-18 | 2017-09-18 | Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102017216496A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022206242A1 (en) | 2022-06-22 | 2023-12-28 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Method for producing an engine component from at least one fiber-reinforced plastic |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140291886A1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Gregory Thomas Mark | Three dimensional printing |
EP2801512A1 (en) * | 2013-05-07 | 2014-11-12 | EDAG GmbH & Co. KGaA | Composite structure with functional structure manufactured in a generative manner |
WO2015073322A1 (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-21 | Abb Technology Ag | System for robotic 3d printing |
WO2015122555A1 (en) | 2014-02-17 | 2015-08-20 | 한국과학기술연구원 | Forward osmosis-based separation membrane based on multilayer thin film, using crosslinking between organic monomers, and preparation method therefor |
DE202015103932U1 (en) * | 2015-07-28 | 2015-09-24 | BigRep GmbH | Compensating the unevenness of a base plate during 3D printing |
DE102015016272B3 (en) | 2015-12-16 | 2017-05-11 | INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH | Method for the additive production of a plastic component and use of the method for producing a hybrid component |
DE102015222860A1 (en) | 2015-11-19 | 2017-05-24 | Mahle International Gmbh | Additive manufacturing process |
-
2017
- 2017-09-18 DE DE102017216496.4A patent/DE102017216496A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140291886A1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Gregory Thomas Mark | Three dimensional printing |
EP2801512A1 (en) * | 2013-05-07 | 2014-11-12 | EDAG GmbH & Co. KGaA | Composite structure with functional structure manufactured in a generative manner |
WO2015073322A1 (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-21 | Abb Technology Ag | System for robotic 3d printing |
WO2015122555A1 (en) | 2014-02-17 | 2015-08-20 | 한국과학기술연구원 | Forward osmosis-based separation membrane based on multilayer thin film, using crosslinking between organic monomers, and preparation method therefor |
DE202015103932U1 (en) * | 2015-07-28 | 2015-09-24 | BigRep GmbH | Compensating the unevenness of a base plate during 3D printing |
DE102015222860A1 (en) | 2015-11-19 | 2017-05-24 | Mahle International Gmbh | Additive manufacturing process |
DE102015016272B3 (en) | 2015-12-16 | 2017-05-11 | INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH | Method for the additive production of a plastic component and use of the method for producing a hybrid component |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022206242A1 (en) | 2022-06-22 | 2023-12-28 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Method for producing an engine component from at least one fiber-reinforced plastic |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2176059B1 (en) | Method and device for producing a reinforced composite product | |
DE102009040901B4 (en) | Process for manufacturing supporting structures in motor vehicles | |
EP2039487B1 (en) | Fibrous structure component, robot component, industrial robot, general compound component, compound components for terrestrial vehicles or aircraft and space craft and method for producing a fibrous structure component | |
DE102012016309B4 (en) | Process for producing a sandwich panel and sandwich panel | |
EP2558269B1 (en) | Body for a passenger car | |
DE19922799A1 (en) | Composite plastic molding e.g. for vehicle floor pan, involves preforming tool to shape reinforcing fabric before placing it in molding tool | |
EP2516137A1 (en) | Method for producing continuous-fibre-reinforced moulded parts from thermoplastic plastics and motor vehicle moulded part | |
AT518080B1 (en) | Method for producing a motor vehicle interior component | |
DE102007027755A1 (en) | Fiber reinforced plastic component production involves rearranging thermoplastic hollow core with coating, made of reinforcing fibers, and plastic material is subsequently hardened | |
DE102007037680A1 (en) | Process for production of injection molded structural components reinforced with endless fibers, generally useful in production of injection molded components is cost effective and permits high degree of geometric variability | |
WO2004106042A1 (en) | Method and device for producing three-dimensional molded parts and corresponding molded part | |
EP3024638B1 (en) | Method for producing plastic components, which have a high mechanical load-bearing capacity, with a correct final contour | |
DE102010053960A1 (en) | Body of a passenger car and method for producing such a body | |
DE102017122670A1 (en) | Method and pressing tool for producing a hybrid component and hybrid component | |
DE102012018801A1 (en) | Covering component i.e. covering carrier, for e.g. door of passenger car, has plastic paneling part comprising thermoplastic covering layer and fiber reinforced plastic layers with unidirectionally aligned fibers | |
EP1052164A1 (en) | Wall group for automotive vehicle | |
DE102015016272B3 (en) | Method for the additive production of a plastic component and use of the method for producing a hybrid component | |
DE102004007313A1 (en) | Process and apparatus for producing a continuous fiber reinforced polymer molding and continuous fiber reinforced polymer molding | |
DE102008052000A1 (en) | Method for manufacturing fiber reinforced plastic component, particularly for vehicle, involves forming loose structured textile depositor as reinforcement piece by multi-filament-fibers | |
DE102017216496A1 (en) | Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic | |
EP3188885B1 (en) | Method of manufacturing a multilayered composite part with integrated reinforcing structure | |
DE102017109953A1 (en) | module | |
DE102017101722A1 (en) | Method for producing a component, in particular for a vehicle | |
EP3398761B1 (en) | Method for increasing the rigidity of nonwoven fabric formed parts using additive manufacturing | |
EP2681027A2 (en) | Method and device for producing a component |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: B29C0070380000 Ipc: B29C0064118000 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |