DE102018008405A1 - Einbringung lastgerechter Verstärkung in Kunststoffformteile mittels zweidimensionaler, nichtverstärkender Träger - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung und Positionierung von nicht vollflächigen Endlosfaserverstärkungen in Kunststoffformteile in urformenden Werkzeugen. Dazu wird die Verstärkung auf einen zweidimensionalen Träger appliziert. Das so entstehende Halbzeug wird als Zuschnitt oder als Endlosträger in ein urformendes Werkzeug eingebracht und mit der Kunststoffkomponente zu einem lokal verstärkten Formteil verbunden. Das verwendete Trägermaterial kann mit oder ohne Funktion im Formteil verbleiben oder nach der Urformung wieder abgelöst werden.

Description

  • Verfahren zur Herstellung lokal endlosfaserverstärkter Kunststoffformteile in urformenden Verfahren unter Zuhilfenahme zweidimensionaler, nicht verstärkender Träger. Mithilfe des Verfahrens werden die geometrischen Limitationen des Verarbeitungsprozesses bei der Verstärkung mit Endlosfasern reduziert und die Herstellungskomplexität durch Verwendung von Standardwerkzeugen verringert.
  • Anwendungsgebiet
  • Die unidirektionale Verstärkung von Kunststoffformteilen mit Verstärkungsmaterialien wie zum Beispiel Tapes, ermöglicht es, hochsteife und feste Bauteile mit hohem Gewichtsreduktionspotenzial herzustellen. Dabei orientiert sich die Ausrichtung und Applikation des Verstärkungsmaterials an den im Bauteil befindlichen Lastpfaden und resultiert in einer lokalen Verstärkung bestimmter Bauteilbereiche. Eine vollständige Applikation ist weder angestrebt noch im Sinne des Leichtbaus zielführend. Lokal lastpfadgerecht verstärkte Formteile werden daher benötigt, um bei Formteilen mit hochbelasteten Bereichen bspw. PKW-Heckklappen das volle Leichtbaupotenzial auszunutzen.
  • Stand der Technik
  • Endlosfaserverstärkte Kunststoffe wie z. B. Thermoplaste (TP-FVK) besitzen ein hohes Potenzial für Leichtbauanwendungen mit vielfältigen Einsatzgebieten. Eine gewichtsbezogen hohe mechanische Leistungsfähigkeit und die Möglichkeit, die Verstärkungsfaser sowie den Matrixwerkstoff an die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungsfällen anzupassen, lässt ein umfassendes Anwendungsgebiet beispielsweise im Bereich der Elektromobilität zu [1].
  • Serienanwendung finden im Bereich der Automobilindustrie bereits TP-FVK auf Basis von sogenannten Organoblechen, die im Spritzgießen unter Funktionsintegration zu Bauteilen weiterverarbeitet werden. Organobleche, welche meist aus Faserhalbzeugen mit orthotropen Aufbau mit einer maximalen Vorzugsorientierung von 80 % bestehen, werden in diesen Formteilen in der Regel vollflächig eingesetzt, welches die Fixierung im Urformwerkzeugen erleichtert. Durch die Verwendung von Geweben sind der Gestaltungsfreiheit mit Organoblechen prozesstechnische Grenzen gesetzt, sodass in der Auslegung ein Kompromiss zwischen mechanischer Leistung und effektiver Produktion gefunden werden muss. Weiterhin ist die Verwendung von Organoblechen immer mit Verschnitt behaftet, sodass der lokale Einsatz in Bauteilen wirtschaftlich abgewogen werden muss.
  • Ein wesentlicher Aspekt bei der Erschließung neuer Anwendungsgebiete durch TP-FVK ist die Weiterverarbeitung der Halbzeuge zu Bauteilen. Die Entwicklung von Prozessen, die das volle Leichtbaupotenzial der Werkstoffe mit wirtschaftlichen Fertigungsverfahren auszuschöpfen, stellt das Ziel derzeitiger Entwicklungen dar.
  • Eine aktuell industriell stark beachtete Halbzeuggruppe sind thermoplastische unidirektionale (UD-)Halbzeuge, sogenannte UD-Tapes. Die Verwendung von UD-Tapes zur lokalen lastpfadgerechten Verstärkung in spritzgegossenen Kunststoffteilen [1] sowie in anisotropen FVK-Bauteilen, die mittels Tapelegen oder Tapewickeln hergestellt werden [2], ermöglicht erste industrielle Anwendungen. Das UD-Tape bestimmt dabei durch seine Eigenschaften maßgeblich die Bauteilqualität [3, 4]. UD-Tapes bieten gegenüber Organoblechen nicht nur eine isotrope Verstärkung, sondern bei gleicher Dicke auch eine höhere Zugfestigkeit in Zugrichtung [5]. Bei geringerer Dicke, aber gleicher Zugfestigkeit, bietet sich das UD-Tape somit für den Leichtbau an. Insbesondere ist durch den gezielten Einsatz von UD-Tapes eine effiziente und lokale Verstärkung von Bauteilen möglich. Das hohe Leichtbaupotenzial wurde in [6, 7] nachgewiesen. Zur lokalen Verstärkung von Bauteilen auf Basis von UD-Tapes werden drei Verfahren bereits industriell eingesetzt sowie in aktuellen Forschungsaktivitäten weiterentwickelt:
    • ■ Direkte Bauteilverstärkung im UD-Tapelege und -wickelverfahren [8, 9]
    • ■ Direkte Integration von UD-Tapes im Spritzgießen [6, 7] z. B. durch die direkte Ablage des Tapes in einer entsprechend geformten Kavität.
    • ■ Herstellung mehrlagiger thermoplastischen Halbzeuge (2D) und anschließendes
  • Umformen und optionale Funktionalisierung im Spritzgießen [6, 10, 11] Bei letzterer Prozessführung entstehen schwierig kalkulierbare und teilweise unzusammenhängende Verstärkungselemente. Daher werden bewegliche Schieber und Klemmrahmen eingesetzt, die mittels integrierter Hydraulikzylinder betätigt werden können, um die Einleger im Werkzeug zu fixieren [12]. Weiterhin können fixe Spannelemente im Werkzeug integriert werden, welche das Tape halten, spannen und fixieren. Die Fixierung kann ebenso über Vakuum oder elektrostatische Ladung erfolgen, wobei das Elektrostatik-Prinzip ein vergleichsweise junges und wenig erforschtes Verfahren ist [13].
  • Nachteile des Standes der Technik
  • Die bisherigen Ansätze zur Einbringung von lastpfadorientierten ungebundenen Verstärkungsmaterialien weisen verfahrensbedingt entscheidende Nachteile auf. Eine nachgelagerte Aufbringung von lastpfadorientierten ungebundenen Verstärkungsmaterialien ist aufgrund der eingesetzten Werkzeugtechnik nur bei ausreichendem Platzangebot möglich und schränkt damit die Einsatzbereiche und Komplexität der Verstärkungen ein. Die Herstellung von vollflächigen Verstärkungshalbzeugen aus den unidirektionalen Verstärkungsmaterialien ermöglicht die Verarbeitung auf Standardwerkzeugen, schöpft das Leichtbaupotenzial aber nicht aus, da Verstärkung an Stellen eingebracht wird, die dies nicht erfordern.
  • Die Einbringung von einzelnen unidirektionalen Verstärkungselementen in den Fügeprozess im Urformverfahren (z. B. Spritzgießen) setzt eine Vorformung des Trägers (Drapierung) voraus, welche einen zusätzlichen Prozessschritt bedeutet oder es können nur flächige Elemente eingebracht werden. Die Verarbeitung dieser Halbzeuge im Urformprozess setzt komplexe Halteelemente innerhalb der Werkzeugtechnik voraus. Diese sind:
    • ■ Vakuumfixierung
      • - Nur für flächige Halbzeuge
      • - Eindringen von Kunststoffschmelze, Abbauprodukten, etc. muss berücksichtig werden
    • ■ Geometrische Fixierung mittels unbeweglicher Halteelemente
      • - Stellen Fließhindernisse dar, welche zur Ausbildung von Bindenähten und damit Bereichen reduzierte mechanischer Leistungsfähigkeit der Formteile führen
    • ■ Geometrische Fixierung mittels beweglicher Halteelemente
      • - Komplexe Antriebstechnik und aufwendige Steuerungstechnik notwendig
      • - Dreidimensionalität der Einleger eingeschränkt
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, welches gegenüber den Nachteilen des Standes der Technik eine lastpfadgerechte, auch nicht verbundene Verstärkung durch die Einbringung von Endlosfasern in Kunststoffformteile erlaubt. Durch die vorgelagerte Kaschierung der Endlosfasern (eventuell gebunden in Matrixmaterial z. B. Tapes) auf einen verlorenen oder einen wiederablösbaren Träger kann das Leichtbaupotenzial der einzelnen Werkstoffe vollständig ausgeschöpft werden. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass es das Verfahren ermöglicht, Standardwerkzeuge der Kunststoffverarbeitung einzusetzen und Fixierungsmaßnahmen stark zu vereinfachen. Zusätzlich kann die Drapierung der Einleger im Werkzeug erfolgen, sodass das Verfahren keine vorgelagerten Umformschritte benötigt oder nachgelagerte Prozessschritte notwendig sind, um eine Verstärkung aufzubringen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und System mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 10 gelöst. Dies wird durch die Einbringung lastpfadgerechter unidirektionaler Strukturen auf ein Trägersystem erreicht. Das Trägersystem wird einem urformenden Kunststoffverarbeitungsverfahren zugeführt und dient der prozesssicheren Fixierung der ungebundenen Verstärkungsstrukturen im Werkzeug.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Zur Einbringung und exakten Positionierung von nicht vollflächigen Endlosfaserverstärkungen in Thermoplastformteile wurde das in 1 dargestellte Verfahren entwickelt. Im ersten Verfahrensschritt (a) werden zunächst die z. B. in einer Thermoplastmatrix gebundenen Endlosfasern (2) z. B. UD-Tapes auf einen zweidimensionalen Träger z. B. unimprägniertes Faserhalbzeug (z. B. Vlies) oder Folie (1) abgelegt. Die beiden Komponenten werden durch thermische oder chemische Fügeverfahren, z. B. durch Heißpressen, zu einem stabilen Halbzeug verbunden. Dieses Halbzeug wird in der Trennebene eine Spritzgießwerkzeugs (3) als Zuschnitt fixiert (b) wobei der Träger an der Kavitätswand anliegt. Dies kann bei Verwendung eines Endlosträgers mit einem Vorschubgerät erfolgen. Anschließend (c) wird das Halbzeug durch das Schließen des Werkzeugs vorgeformt und die Thermoplastschmelze (5) eingespritzt. Dabei verbindet sich die Verstärkung mit dem Thermoplasten. Nach dem Erkalten der Schmelze wird das Formteil entformt und bei Verwendung eines lösbaren Trägers dieser vom Formteil entfernt. Das Ergebnis des Prozesses ist ein nicht vollflächig endlosfaserverstärktes Thermoplastformteil (d).
  • Figurenliste
    • 1
      • (a) Schritt 1: Herstellung von zweidimensionalem Halbzeug aus Trägerzuschnitt und matrixgebundenen Endlosfaserverstärkungen
      • (b) Schritt 2: Einlegen des Halbzeugs in Urformwerkzeug
      • (c) Schritt 3: Umformung des Halbzeugs durch Schließen des Werkzeugs und Fügen mit Kunststoff
      • (d) Schritt 4: Fertiges Bauteil nach Entformung und Ablösen des Trägers
    • (1) Zweidimensionaler Träger
    • (2) Endlosfaserverstärkung
    • (3) Urformwerkzeug
    • (4) Dreidimensional geformtes Halbzeug
    • (5) Thermoplastschmelze
    • (6) Lokal endlosfaserverstärktes Thermoplastformteil mit abgelöstem Träger

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von lokal endlosfaserverstärkten Kunststoffformteilen in urformenden Werkzeugen, denen eine nicht vollflächige Verstärkung auf einem zweidimensionalen Trägersystem, als nicht verstärkende Komponente, in Form von Halbzeugen zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Träger mit oder ohne Funktion im Bauteil verbleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Träger nicht im Bauteil verbleibt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Träger ein unimprägniertes Faserhalbzeug oder eine Folie ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Träger aus Formteilmaterial oder Matrix des Verstärkungsmaterials besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Träger nicht aus Formteilmaterial oder Matrix des Verstärkungsmaterials besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von zweidimensionalen Träger und ungebundener Verstärkung vor dem urformenden Werkzeug chemisch oder thermisch erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug als Zuschnitt in die Trennebene des urformenden Werkzeugs eingelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mit Endlosträger (z. B. Rolle) in die Trennebene des urformenden Werkzeugs eingelegt und im Prozess besäumt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Haftung mit der urformenden Werkzeugoberfläche eingeht.
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