DE102017216496A1 - Method for producing a motor vehicle component from fiber-reinforced plastic - Google Patents

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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 DE 10 2015 222 860 ist ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils aus einem Kunststoff bekannt, wobei in das Kunststoffbauteil während des additiven Herstellungsprozesses Verstärkungsfasern eingelegt werden. Ein kompletter 3D-Druck eines Bauteils ist jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer und daher nur für eine Fertigung von sehr geringen Stückzahlen, wie sie beispielsweise im Prototypenbau oder für Sonderanwendungen, beispielsweise im Motorsport, auftreten, geeignet.From the DE 10 2015 222 860 a method for the additive production of a component made of a plastic is known, wherein in the plastic component during the additive manufacturing process reinforcing fibers are inserted. However, a complete 3D printing of a component is comparatively complicated and expensive and therefore only suitable for a production of very small quantities, as they occur, for example, in prototype construction or for special applications, for example in motorsport.

Aus der WO 2015/122 555 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Kunststoffbauteils bekannt, bei welchem in den flüssigen Kunststoff während des 3D-DruckProzesses Verstärkungsfasern eingelegt werden.From the WO 2015/122 555 A1 Also, a method for additive production of a plastic component is known, in which in the liquid plastic during the 3D printing process reinforcing fibers are inserted.

Die DE 10 2015 016 272 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem auf einem Träger Volumenelemente aus Kunststoff schichtweise in einem 3D-Druck aufgetragen werden, wobei zur Steigerung der Festigkeit von Bindenähten in einem 3D-Mikrospritzguss die Volumenelemente aus Kunststoff auf dem Träger mit mindestens zwei nach einer Seite offenen Werkzeugformen erzeugt werden, wobei in die Zwischenräume Stützstrukturen eingebracht werden.The DE 10 2015 016 272 B3 discloses a method for producing a fiber-reinforced plastic component, wherein on a support volume elements made of plastic layer by layer in a 3D printing, wherein to increase the strength of weld lines in a 3D micro injection molding, the plastic volume elements on the support with at least two after one Side open tool molds are generated, wherein in the interstices support structures are introduced.

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.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 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.

1 zeigt eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 52. Die Vorrichtung umfasst einen 3D-Drucker 10 und eine Aufnahme 42 für das faserverstärkte Kunststoffbauteil 52. Der 3D-Drucker 10 weist einen Druckkopf 54 mit mindestens einer Druckdüse 12 auf, welche mittels eines Heizelements 14 beheizbar ist, um die Fleißfähigkeit des im 3D-Druck verwendeten thermoplastischen Kunststoffs zu verbessern. Ferner ist an dem 3D-Drucker 10 eine Antriebseinheit 40 für eine Positioniervorrichtung 16 zur Positionierung der Druckdüse 12 vorgesehen. An dem 3D-Drucker 10 ist mindestens eine Faserzufuhr 22, 24, vorzugsweise wie in 1 dargestellt eine erste Faserzufuhr 22 und eine zweite Faserzufuhr 24, für Verstärkungsfasern 30, 32 zur Faserverstärkung des durch den 3D-Drucker 10 aufgetragenen Kunststoffmaterials vorgesehen. Die Verstärkungsfasern 30, 32 sind jeweils auf einer Rolle 34, 36 als Endlosfasern aufgewickelt und werden über Umlenkrollen 26, 28 dem Druckkopf 54 des 3D-Druckers 10 zugeführt, um in dem 3D-Druck-Prozess in entsprechender Orientierung in das faserverstärkte Kunststoffbauteil 52 integriert werden zu können. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 52 umfasst ein vorgefertigtes Kunststoffbauteil 18, insbesondere ein faserverstärktes Organoblech 50, welches in einem vom 3D-Druck abweichenden Fertigungsverfahren, insbesondere in einem thermischen Umformprozess, in seine Bauteilgeometrie gebracht wird. An das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 wird mittels des 3D-Druckers 10 eine faserverstärkte Kunststoffstruktur 20 angeformt, welche vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff für das Kunststoff-Matrixmaterial und mit den gleichen Verstärkungsfasern 30, 32 ausgeführt ist. 1 shows a manufacturing apparatus for producing a fiber-reinforced plastic component 52 , The device comprises a 3D printer 10 and a recording 42 for the fiber-reinforced plastic component 52 , The 3D printer 10 has a printhead 54 with at least one pressure nozzle 12 on, which by means of a heating element 14 is heated to improve the diligence of the thermoplastic used in 3D printing. Further, on the 3D printer 10 a drive unit 40 for a positioning device 16 for positioning the pressure nozzle 12 intended. At the 3D printer 10 is at least one fiber feed 22 . 24 , preferably as in 1 illustrated a first fiber supply 22 and a second fiber feed 24 , for reinforcing fibers 30 . 32 for fiber reinforcement of the plastic material applied by the 3D printer 10. The reinforcing fibers 30 . 32 are each on a roll 34 . 36 wound as continuous fibers and are over pulleys 26 . 28 the printhead 54 of the 3D printer 10 supplied in the 3D-printing process in a corresponding orientation in the fiber-reinforced plastic component 52 to be integrated. The fiber-reinforced plastic component 52 includes a prefabricated plastic component 18 , in particular a fiber-reinforced organic sheet 50 which is brought into its component geometry in a manufacturing process deviating from 3D printing, in particular in a thermal forming process. To the prefabricated plastic component 18 becomes a fiber-reinforced plastic structure by means of the 3D printer 10 20 formed, which preferably made of the same material for the plastic matrix material and with the same reinforcing fibers 30 . 32 is executed.

Das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 ist in einer Aufnahme 42, insbesondere auf einem Tisch 44, aufgenommen, welche durch einen Industrieroboter 46 verschoben oder verdreht werden kann. Dabei ist der Industrieroboter 46 vorzugsweise als sogenannter Sechsachsroboter 48 ausgeführt, sodass die Aufnahme 44 beliebig zu der Druckdüse 12 im Raum verschoben und/oder verdreht werden kann. Die Aufnahme 42 kann durch eine Bahnprogrammierung des Industrieroboters 46 in ihrer Bewegung gesteuert werden, sodass das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 zu der Druckdüse 12 positioniert wird, um ein maßgenaues Andrucken der faserverstärkten Kunststoffstruktur 20 zu ermöglichen.The prefabricated plastic component 18 is in a recording 42 especially on a table 44 , taken by an industrial robot 46 can be moved or twisted. This is the industrial robot 46 preferably as a so-called six-axis robot 48 executed, so the recording 44 arbitrary to the pressure nozzle 12 moved in the room and / or can be twisted. The recording 42 can by a web programming of the industrial robot 46 be controlled in their movement, so that the prefabricated plastic component 18 to the pressure nozzle 12 is positioned to a dimensionally accurate pressure of the fiber-reinforced plastic structure 20 to enable.

An dem Druckkopf 54 des 3D-Druckers 10 kann alternativ oder zusätzlich ein Sensor 38, insbesondere ein Lasersensor 56, vorgesehen werden, mit welchem die Oberfläche 58 des vorgefertigten Kunststoffbauteils 18 abgetastet wird, um die faserverstärkte Kunststoffstruktur 20 maßgenau an das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 anzudrucken und somit das faserverstärkte Kunststoffbauteil 52 zu erstellen.At the printhead 54 of the 3D printer 10 may alternatively or additionally a sensor 38 , in particular a laser sensor 56 be provided with which the surface 58 of the prefabricated plastic component 18 is scanned to the fiber reinforced plastic structure 20 accurate to the prefabricated plastic component 18 print and thus the fiber-reinforced plastic component 52 to create.

In 2 ist die Fertigungsvorrichtung an einem späteren Zeitpunkt des Fertigungsprozesses dargestellt. Dabei sind schon mehrere faserverstärkte Kunststoffstrukturen 20 an das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 angedruckt worden. Der Industrieroboter 46 hat die Aufnahme 42 gegenüber der Darstellung in 1 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, sodass eine Stirnfläche 60 des vorgefertigten Kunststoffbauteils 18 ebenfalls durch eine faserverstärkte Kunststoffstruktur 20 verstärkt werden kann.In 2 the manufacturing device is shown at a later time of the manufacturing process. There are already several fiber-reinforced plastic structures 20 to the prefabricated plastic component 18 been printed. The industrial robot 46 has the recording 42 opposite to the illustration in 1 rotated 90 ° counterclockwise, leaving an end face 60 of the prefabricated plastic component 18 also by a fiber-reinforced plastic structure 20 can be strengthened.

In 3 ist ein Element 62 einer Türverkleidung 64 eines Kraftfahrzeuges dargestellt, welches als thermogeformtes Organoblech 50 mit Versteifungsrippen 66 und einem Funktionselement 68 ausgeführt ist. Dabei können die Versteifungsrippen 66 und das Funktionselement 68 mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem 3D-Druck an das Organoblech 50 angeformt werden, um kostengünstig ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 52 mit einer komplexen Geometrie darstellen zu können.In 3 is an element 62 a door panel 64 a motor vehicle shown which as a thermoformed organo sheet 50 with stiffening ribs 66 and a functional element 68 is executed. Here, the stiffening ribs 66 and the functional element 68 by means of a method according to the invention in a 3D printing on the organic sheet 50 be molded to cost a fiber-reinforced plastic component 52 to represent with a complex geometry.

In 4 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 52 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Fertigungsschritt <100> ein Organoblech 50 aus einem Vorratsbehälter mittels eines Industrieroboters 46 entnommen und in einem folgenden Prozessschritt <110> in einem Ofen vorgewärmt. Das vorgewärmte Organoblech 50 wird dann in einem darauffolgenden Fertigungsschritt <120> in einem Werkzeug zum Thermoformen in seine endgültige, dreidimensionale Bauteilgeometrie gebracht, sodass ein vorgefertigtes Kunststoffbauteil 18 entsteht. In einem Fertigungsschritt <130> wird das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 durch den Industrieroboter 46 zu der Druckdüse 12 des 3D-Druckers positioniert und in einem Prozessschritt <140> die faserverstärkte Kunststoffstruktur 20 an das vorgefertigte Kunststoffbauteil 18 angedruckt. In einem Verfahrensschritt <150> wird das fertige faserverstärkte Kunststoffbauteil 52 aus der Aufnahme 42 des Industrieroboters 46 entnommen und abgelegt.In 4 is a flow diagram of a method according to the invention for producing a fiber-reinforced plastic component 52 shown. In the process, <100> becomes an organic sheet in a first production step 50 from a storage container by means of an industrial robot 46 taken and in a following process step < 110 > preheated in a stove. The preheated organo sheet 50 is then in a subsequent manufacturing step < 120 > brought into its final, three-dimensional component geometry in a thermoforming tool, so that a prefabricated plastic component 18 arises. In a manufacturing step <130> is the prefabricated plastic component 18 through the industrial robot 46 to the pressure nozzle 12 of the 3D printer and in a process step < 140 > the fiber reinforced plastic structure 20 to the prefabricated plastic component 18 printed. In one step < 150 > becomes the finished fiber-reinforced plastic component 52 from the recording 42 of the industrial robot 46 taken and filed.

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

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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)

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (52) für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass an ein vorgefertigtes Kunststoffbauteil (18) eine faserverstärkte Kunststoffstruktur (20) mittels eines 3D-Druck-Verfahrens angeformt wird.Method for producing a fiber-reinforced plastic component (52) for a motor vehicle, characterized in that a fiber-reinforced plastic structure (20) is formed by means of a 3D printing process on a prefabricated plastic component (18). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Druck-Verfahren als Schmelzschichtverfahren ausgeführt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the 3D printing process is carried out as a melt layer method. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffstruktur (20) eine lokale Endlosfaserverstärkung (30, 32) aufweist, wobei die Orientierung der Verstärkungsfaser (30, 32) in der faserverstärkten Kunststoffstruktur (20) in dem 3D-Druck-Verfahren festgelegt wird.Method according to Claim 1 or 2 characterized in that the fiber reinforced plastic structure (20) comprises a local continuous fiber reinforcement (30, 32), the orientation of the reinforcement fiber (30, 32) being defined in the fiber reinforced plastic structure (20) in the 3D printing process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (30, 32) durch eine und entlang einer Druckdüse (12) des 3D-Druckers (10) zugeführt werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the reinforcing fibers (30, 32) are fed through and along a pressure nozzle (12) of the 3D printer (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgefertigte Kunststoffbauteil (18) ein Organoblech (50) umfasst.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the prefabricated plastic component (18) comprises an organic sheet (50). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgefertigte Kunststoffbauteil (18) auf einer Aufnahme (42) eingespannt ist, welche mittels eines mehrachsigen Industrieroboters (46) in alle drei Koordinatenrichtungen verschiebbar und/oder verdrehbar ist.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the prefabricated plastic component (18) is clamped on a receptacle (42) which is displaceable and / or rotatable in all three coordinate directions by means of a multi-axis industrial robot (46). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Druckdüsen (12) des 3D-Druckers (10) an einem Roboterkopf befestigt ist, welcher in alle drei Koordinatenrichtungen verschiebbar und/oder verdrehbar ist.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that at least one of the printing nozzles (12) of the 3D printer (10) is fixed to a robot head, which is displaceable and / or rotatable in all three coordinate directions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Druckdüse (12) und/oder die Bewegung der Aufnahme (42) für das vorgefertigte Kunststoffbauteil (18) mittels einer vorprogrammierten Bahnsteuerung gesteuert wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the movement of the pressure nozzle (12) and / or the movement of the receptacle (42) for the prefabricated plastic component (18) is controlled by means of a pre-programmed path control. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem 3D-Drucker (10), insbesondere an einem Druckkopf (54) des 3D-Druckers (10), ein Sensor (38) angeordnet ist, mit welchem die Oberfläche (58) des vorgefertigten Kunststoffbauteils (18) abgetastet wird, um die faserverstärkte Kunststoffstruktur (20) zu positionieren.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that on the 3D printer (10), in particular on a print head (54) of the 3D printer (10), a sensor (38) is arranged, with which the surface (58) of the prefabricated plastic component (18) is scanned to position the fiber reinforced plastic structure (20). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Druckdüsen (12) des 3D-Druckers (10) vor und/oder während des Druckvorgangs der faserverstärkten Kunststoffstruktur (20) beheizt wird.Method according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that at least one of the printing nozzles (12) of the 3D printer (10) is heated before and / or during the printing process of the fiber-reinforced plastic structure (20).
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