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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zum Herstellen eines Verbundbauteils für einen Kraftwagen.
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Bei einer Fertigung, insbesondere Serienfertigung, von Kraftwagen besteht gemeinhin der Bedarf, den jeweiligen Kraftwagen besonders effizient herzustellen. Des Weiteren kommen bei modernen Kraftwagen zunehmend Verbundbauteile zum Einsatz, welche mindestens zwei miteinander stoffschlüssig verbundene Komponenten aufweisen. Ein Fertigen bzw. Herstellen solcher Verbundbauteile ist jedoch heutzutage besonders aufwendig.
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Es offenbart beispielsweise die
DE 10 2015 013 193 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, mit folgenden Schritten: Erwärmen eines Halbzeugs aus faserverstärkendem Kunststoff; Formen des erwärmten Halbzeugs zu einem Vorformling in einem Umformwerkzeug; Überführen des Vorformlings in ein Spritzgießwerkzeug; und Anspritzen von wenigstens einem Anspritzkunststoff zumindest bereichsweise an dem Vorformling in dem Spritzgießwerkzeug, wobei wenigstens eine Verstärkungsrippe erzeugt wird, wobei der Anspritzkunststoff durch Schaumspritzgießen an den Vorformling angespritzt wird und das Verbundbauteil nach dem Anspritzen einem Prägevorgang unterzogen wird. Durch das Überführen des Vorformlings aus dem Umformwerkzeug in das Spritzgießwerkzeug ist dieses Verfahren bereits äußerst aufwendig.
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Ferner offenbart die
DE 10 2016 102 253 A1 ein Verfahren zum Aufbau eines Bauteils in Verbundstruktur aus mindestens einem Metallblech-Grundkörper, mindestens einem Metallblech-Stabilisierungskörper mit mindestens einer diesen Metallblechen zugeordneten Kunststoffverstärkung, mit den folgenden Schritten: Formen des Metallblech-Grundkörpers; Formen des Metallblech-Stabilisierungskörpers; Verbinden der Metallbleche durch Schweißen, Kleben und/oder mechanisches Fügen; Einlegen des Metallblech-Verbunds in eine Kunststoff-Spritzgussmaschine; Erwärmen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugs aus thermoplastischem Kunststoff, verstärkt mit Endlosfasern - Organoblech - und Einlegen in die Spritzgussmaschine; Umformen des Organoblechs und gleichzeitiges oder unmittelbar folgendes Einspritzen und Urformen der Kunststoffstruktur der Kunststoffverstärkung. Dieses Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils ist ebenfalls besonders aufwendig.
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In der Fertigung bzw. Serienfertigung von Kraftwagen besteht aber der Bedarf, bei zumindest gleichbleibender Bauteilqualität und/oder -sicherheit eine Anzahl von Fertigungsschritten bzw. eine Fertigungsdauer bestmöglich zu reduzieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders einfaches und besonders aufwandsarmes Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für einen Kraftwagen vorgesehen. In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Anordnen eines Halbzeugs zwischen einen wenigstens eine Ausnehmung aufweisenden ersten Werkzeugteil und einen zweiten Werkzeugteil derart, dass das Halbzeug die Ausnehmung auf wenigstens einer Seite verschließt. Das bedeutet, dass die Ausnehmung ein materialfreier Bereich des ersten Werkzeugteils ist, der sich in das erste Werkzeugteil hinein erstreckt, wobei der materialfreie Bereich bzw. die Ausnehmung werkzeugteilseitig durch wenigstens eine Wand begrenzt ist, die durch eine Außenoberfläche des ersten Werkzeugteils gebildet ist. Beim Anordnen des Halbzeugs zwischen das erste und das zweite Werkzeugteil wird die Ausnehmung zwischen den beiden Werkzeugteilen verschlossen, indem das zwischen den Werkzeugteilen angeordnete Halbzeug zusammen mit der Außenoberfläche des ersten Werkzeugteils die Ausnehmung bzw. den materialfreien Bereich des ersten Werkzeugteils vollständig begrenzt. Anders ausgedrückt bildet das Halbzeug zwischen den beiden Werkzeugteilen teilweise eine Wand des materialfreien Bereichs bzw. der Ausnehmung.
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In einem weiteren, zum Beispiel zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Umformen des Halbzeugs, in dem die Werkzeugteile aufeinander zubewegt und dadurch aus einer offenen Stellung in eine geschlossene Stellung bewegt werden. Das bedeutet, dass das Halbzeug zwischen die beiden Werkzeugteile angeordnet wird, solange die beiden Werkzeugteile in der offenen Stellung angeordnet sind. In der geschlossenen Stellung greifen die beiden Werkzeugteile zumindest bereichsweise ineinander ein, das heißt, dass das zweite Werkzeugteil zumindest bereichsweise bzw. stellenweise in das erste Werkzeugteil eingreift und/oder dass das erste Werkzeugteil zumindest bereichsweise bzw. stellenweise in das zweite Werkzeugteil eingreift. Des Weiteren bilden die beiden Werkzeugteile in der geschlossenen Stellung zwischeneinander eine Form, zum Beispiel einen Formspalt, in welche/welchen das Halbzeug hineingepresst oder hineingezogen wird, indem die Werkzeugteile aus der offenen Stellung in die geschlossene Stellung bewegt werden.
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In einem weiteren, zum Beispiel dritten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Einspritzen eines Kunststoffs in die Ausnehmung. Das bedeutet, dass der Kunststoff in einem Verarbeitungszustand flüssig oder pastös, zumindest jedoch spritzbar ist. Sobald der in die Ausnehmung eingespritzte Kunststoff in direktem Kontakt mit dem Halbzeug gelangt ist und von dem Verarbeitungszustand in einen Endzustand übergegangen, zum Beispiel ausgehärtet ist, ist zwischen dem Halbzeug und dem Kunststoff eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
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Um nun ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem das Verbundbauteil besonders einfach und besonders aufwandsarm hergestellt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kunststoff in der Ausnehmung mittels des Halbzeugs geformt wird, indem das Halbzeug durch die Bewegung der Werkzeugteile in die geschlossene Stellung zumindest teilweise in die Ausnehmung eingeformt wird. Anders ausgedrückt wird der in die Ausnehmung eingespritzte Kunststoff dadurch geformt, dass die beiden Werkzeugteile aus der offenen Stellung in die geschlossene Stellung bewegt werden und infolgedessen das Halbzeug zumindest teilweise in die Ausnehmung hineinpressen und hineinziehen.
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Besonders vorteilhaft hierbei ist es, dass mittels des Verfahrens ein besonders stabiles Verbundbauteil hergestellt wird, da der in die Ausnehmung eingespritzte Kunststoff aufgrund des Verstellens der beiden Werkzeugteile aus der offenen Stellung in die geschlossene Stellung im Inneren der Ausnehmung an das Halbzeug angepresst wird.
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Des Weiteren ergeben sich eine besonders homogene Verteilung des Kunststoffs und eine besonders gute Verbundhaftung zwischen dem Kunststoff und dem Halbzeug. Daneben ist das Verfahren besonders einfach und aufwandsarm, da die eine einzige Werkzeugteilbewegung, nämlich das Bewegen der beiden Werkzeugteile aus der offenen Stellung in die geschlossene Stellung, multifunktional ist. Denn indem die beiden Werkzeugteile aufeinander zubewegt werden, wird erstens das Halbzeug geformt bzw. verformt, zweitens das Halbzeug in direktem Kontakt mit dem in die Ausnehmung eingespritzten Kunststoff gebracht und drittens der in die Ausnehmung eingespritzte Kunststoff geformt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt
- 1 eine schematische und geschnittene Ansicht eines Werkzeugs zum Herstellen eines Verbundbauteils;
- 2 eine schematische und geschnittene Ansicht des Werkzeugs in einer teilweise geschlossenen Stellung;
- 3 eine schematische und geschnittene Ansicht des Werkzeugs in einer geschlossenen Endstellung; und
- 4 eine schematische und geschnittene Ansicht des Werkzeugs in einer Auswurfstellung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer schematischen und geschnittenen Ansicht ein Werkzeug 1 zum Herstellen eines Verbundbauteils 2 (siehe 4) für einen Kraftwagen (nicht dargestellt) gezeigt. Das Werkzeug 1 weist einen ersten Werkzeugteil 3 und einen zweiten Werkzeugteil 4 auf, die zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen des Verbundbauteils 2 zunächst - wie in 1 dargestellt - in einer offenen Stellung angeordnet sind. Die beiden Werkzeugteile 3, 4 sind hierzu einander gegenüberliegend angeordnet und voneinander beabstandet, wodurch ermöglicht ist, dass in einem ersten Schritt des Verfahrens ein Halbzeug 5 zwischen die beiden voneinander beabstandeten Werkzeugteile 3, 4 angeordnet wird.
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Der erste Werkzeugteil 3 weist wenigstens eine Ausnehmung 6 auf, die in Richtung hin zu dem zweiten Werkzeugteil 4 offen ist und von Wänden 7 des ersten Werkzeugteils 3 begrenzt wird, wobei die Wände 7 durch eine Außenoberfläche 8 des ersten Werkzeugteils 3 gebildet sind. Die Ausnehmung 6 wird in Richtung zu dem zweiten Werkzeugteil 4 hin dadurch verschlossen, dass das Halbzeug 5 zwischen die beiden Werkzeugteile 3, 4 angeordnet wird. Insbesondere wird das Halbzeug 5 derart zwischen die beiden Werkzeugteile 3, 4 angeordnet, dass eine Außenoberfläche 9 des Halbzeugs 5 direkt an der Außenoberfläche 8 des ersten Werkzeugteils 3 anliegt. Das bedeutet, dass die Ausnehmung 6, sobald die Außenoberfläche 9 des Halbzeugs 5 die Außenoberfläche 8 des ersten Werkzeugteils 3 direkt berührt, von den Wänden 7 und von dem Halbzeug 5 begrenzt ist.
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Im vorliegenden Beispiel weist der zweite Werkzeugteil 4 einen mit der Ausnehmung 6 korrespondierenden Stempel 10 auf, der von einer Außenoberfläche 11 des zweiten Werkzeugteils 4 in Richtung zu dem ersten Werkzeugteil 3 hin hervorspringt.
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2 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Ansicht das Werkzeug 1 in einer teilweise geschlossenen Stellung. Denn in einem weiteren, zum Beispiel zweiten Schritt des Verfahrens wird das Halbzeug 5 zwischen den beiden Werkzeugteilen 3, 4 verformt, in dem die beiden Werkzeugteile 3, 4 aufeinander zubewegt werden. Mit anderen Worten werden zum Schließen des Werkzeugs 1 die Werkzeugteile 3, 4 aus der offenen Stellung (vergleiche 1) zunächst in eine teilweise geschlossene Stellung, wie in 2 gezeigt, bewegt. Dadurch dass sich die Werkzeugteile 3, 4 aufeinander zubewegen und das Halbzeug 5 zwischen den beiden Werkzeugteilen 3, 4 angeordnet ist, wird das Halbzeug 5 aufgrund des in die Ausnehmung 6 eingreifenden Stempels 10 zumindest teilweise in die Ausnehmung 6 hinein- und zumindest teilweise um den Stempel 10 herumgepresst bzw. -gezogen.
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Um das Verbundbauteil 2 herzustellen, wird des Weiteren ein Kunststoff 12 über eine Düse 13 in die Ausnehmung 6 eingespritzt. Hierzu mündet eine Ausgangsseite der Düse 13 in die Ausnehmung 6 und einer Eingangsseite der Düse 13 wird flüssiger oder pastöser, zumindest spritzbarer Kunststoff bereitgestellt. Die Düse 13 ist von diesem Kunststoff durchströmbar, sodass der durch die Düse 13 strömende Kunststoff über die Ausgangsseite in die Ausnehmung 6 einströmt, zum Beispiel eingespritzt wird. Es ist zu verstehen, dass der Kunststoff 6 bereits vor einem Schließen des Werkzeugs 1 in die Ausnehmung 6 eingespritzt werden kann. Das bedeutet, dass der Kunststoff 12 schon in die Ausnehmung 6 eingespritzt werden kann, obwohl sich die beiden Werkzeugteile 3, 4 noch nicht aufeinander zubewegen. Genauso gut ist es denkbar, dass der Kunststoff 12 in die Ausnehmung 6 eingespritzt wird und erst danach das Halbzeug 5 zwischen die Werkzeugteile 3, 4 angeordnet wird.
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3 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Darstellung das Werkzeug 1 in einer geschlossenen Endstellung. Das bedeutet, dass die beiden Werkzeugteile 3, 4 über die teilweise geschlossene Stellung (vergleiche 2) hinaus weiter aufeinander zubewegt werden, bis das Werkzeug 1 vollständig geschlossen ist. Beim vollständigen Schließen des Werkzeugs 1, das heißt wenn die Werkzeugteile 3, 4 bis in die geschlossene Endstellung aufeinander zubewegt werden, geraten der in die Ausnehmung 6 eingespritzte Kunststoff 12 und das Halbzeug 5 in direkten Kontakt miteinander und das Halbzeug 5, das von dem Stempel 10 angetrieben ist, formt den Kunststoff 12 in der Ausnehmung 6. Folglich ist die Ausnehmung 6 in 3 nicht dargestellt, da diese vollständig durch den Kunststoff 12, das Halbzeug 5 und den Stempel 10 ausgefüllt ist. Dadurch dass der Stempel 10 das Halbzeug 5 verformt, bis das Werkzeug 1 in der geschlossenen Endstellung angeordnet ist, und der Kunststoff 12 mittels des Halbzeugs 5 von dem Stempel 10 getrennt ist, wird der in der Ausnehmung 6 eingespritzte Kunststoff 12 nicht direkt durch den Stempel 10, sondern lediglich indirekt durch den Stempel 10 verformt, da der in die Ausnehmung 6 eingespritzte Kunststoff 12 direkt durch das sich bewegende Halbzeug 5 geformt bzw. verformt wird. Dies hat zur Folge, dass das Halbzeug 5 und der Kunststoff 12 miteinander stoffschlüssig verbunden werden, sodass das Halbzeug 5 und der Kunststoff 12 miteinander das Verbundbauteil 2 bilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass in der vollständig geschlossenen Stellung des Werkzeugs 1, wie in 3 dargestellt, der Kunststoff 12 im Rahmen einer Nachdruckbehandlung über die Düse 13 während einer Geschlossenzeit des Werkzeugs 1 weiter mit Druck beaufschlagt wird. Auf diese Weise ist wirksam verhindert, dass der Kunststoff aus der Ausnehmung 6 über die Ausgangsseite der Düse 13 zurückfließt, bevor der Kunststoff 12 bestimmungsgemäß ausgehärtet ist und das Verbundbauteil 2 in dem Werkzeug 1 fertig hergestellt ist. Ferner wird bei einer derartigen Nachdruckversorgung der Kunststoff 12 besonders effizient an das Halbzeug 5 angepresst, wodurch eine besonders zuverlässige Haftung zwischen dem Halbzeug 5 und dem Kunststoff 12 erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Kunststoff 12 in der Ausnehmung 6 mit Druck beaufschlagt, indem die Werkzeugteile 3, 4 aufeinander zubewegt werden, das heißt den Kunststoff 12 in der Ausnehmung 6 prägen. Hierbei wird der Kunststoff noch effizienter an das Halbzeug 5 angepresst und verdichtet. Hierdurch ergibt sich eine im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundbauteilen verbesserte Verbundhaftung zwischen dem Halbzeug 5 und dem Kunststoff 12.
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4 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Ansicht das Werkzeug 1 in einer Auswurfstellung. Das bedeutet, dass in einem weiteren Schritt des Verfahrens die beiden Werkzeugteile 3, 4 voneinander wegbewegt werden, sodass die Werkzeugteile 3, 4 aus der geschlossenen Endstellung in die offene Stellung bewegt werden, wodurch die Werkzeugteile 3, 4 in der offenen Stellung wieder voneinander beabstandet sind. Folglich kann das nunmehr fertig gestellte Verbundbauteil 2 aus dem Werkzeug 1 entnommen werden. Um ein besonders leichtes Entnehmen des Verbundbauteils 2 aus dem Werkzeug 1 zu ermöglichen, kann das Werkzeug 1 einen oder mehrere Auswerfer 14 aufweisen, die beispielsweise aus dem ersten Werkzeugteil 3 ausfahren und das fertiggestellte Verbundbauteil aus der Ausnehmung 6 bzw. aus dem Zwischenraum zwischen den Werkzeugteilen 3, 4 auswerfen, zum Beispiel ausstoßen, herausdrücken etc.
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Bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren ist es insbesondere vorgesehen, dass die Bewegung der Werkzeugteile 3, 4 in die geschlossene Stellung, insbesondere in die geschlossene Endstellung, und das Einspritzen des Kunststoffs 12 zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen. Ferner ist vorgesehen, dass das Verfahren mittels eines einzigen Werkzeugs durchgeführt wird. Das bedeutet, dass vorgesehen ist, dass zwischen der Bewegung der Werkzeugteile 3, 4 in die geschlossene Stellung bzw. in die geschlossene Endstellung und dem Einspritzen des Kunststoffs 12 in die Ausnehmung 6 ein Entnehmen des Halbzeugs 5 aus dem Werkzeug 1 unterbleibt. Mit anderen Worten erfüllt das Werkzeug 1 im vorliegenden Verfahren eine Multifunktionalität, nämlich wird mittels des Werkzeugs 1 das Halbzeug 5 verformt, der Kunststoff 12 in die Ausnehmung 6 eingespritzt und der Kunststoff 12 in der Ausnehmung 6 geformt, zum Beispiel geprägt etc. Demnach wird auf besonders einfache Weise mittels des Verfahrens das Verbundbauteil 2 mittels eines Spritzprägens in Verbindung mit dem Halbzeug 5 hergestellt.
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Das Halbzeug 5 kann anorganische oder organische Bestandteile aufweisen. Das bedeutet, dass das Halbzeug 5 aus einem metallischen Material gebildet sein kann oder aus einem zumindest im Wesentlichen auf Kohlenstoff basierenden Material (zum Beispiel Kunststoff) gebildet sein kann. Ferner kann das Halbzeug 5 wenigstens einen Verbundwerkstoff mit wenigstens einem anorganischen und wenigstens einem organischen Bestandteil aufweisen. Das bedeutet, dass das Halbzeug 5 zum Beispiel zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sein kann. Besonders vorteilhafte Materialeigenschaften bildet in dem Zusammenhang mit dem Verfahren ein sogenanntes Organoblech, welches sich - ähnlich metallischen Blechen - verarbeiten, zum Beispiel tiefziehen lässt. Da bei dem Verfahren vorgesehen ist, dass das Halbzeug 5 mittels des Stempels 10 in die Ausnehmung 6 eingeformt wird, ist es daher von besonderem Vorteil, wenn das Halbzeug 5 durch ein Organoblech gebildet ist.
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Besonders gute Spritzeigenschaften bieten im Zusammenhang mit dem Verfahren Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, sodass es von besonderem Vorteil ist, wenn der Kunststoff 12, der im Verfahren in die Ausnehmung 6 eingespritzt wird, ein Thermoplast ist. Genauso gut ist es denkbar, dass es sich bei dem mittels des Verfahrens verarbeitete, das heißt in die wenigstens eine Ausnehmung 6 eingespritzte Kunststoff um ein Elastomer handelt, da das Elastomer ebenfalls effizient durch Spritzen verarbeitbar ist.
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Das fertiggestellte Verbundbauteil 2 weist eine erste Komponente und wenigstens eine weitere Komponente auf, wobei im vorliegenden Beispiel die erste Komponente durch das Halbzeug 5 gebildet wird und die wenigstens eine weitere Komponente durch den Kunststoff 12 gebildet wird. Durch das Verfahren wird das Verbundbauteil 2 mittels besonders wenigen Fertigungsschritten und/oder innerhalb einer besonders kurzen Fertigungszeit besonders einfach und/oder aufwandsarm hergestellt. Es ergeben sich aufgrund des Verfahrens des Weiteren eine besonders gute Verbundhaftung zwischen dem Kunststoff 12 und dem Halbzeug 5 sowie ein besonders geringer Bauteilverzug wegen der besonders vorteilhaften Druckverteilung sowie der besonders homogenen Verteilung des Kunststoffs 12 in der Ausnehmung 6.
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Um eine besonders innige Verbindung zwischen dem Halbzeug 5 und dem Kunststoff 12 zu schaffen, ist es insbesondere vorgesehen, dass das Halbzeug 5, bevor es zwischen die Werkzeugteile 3, 4 angeordnet, zum Beispiel eingelegt wird, auf eine bestimmte Verarbeitungstemperatur aufgeheizt wird. Insbesondere wenn es sich bei dem Halbzeug 5 um ein Organoblech handelt, ist dies von besonderem Vorteil, da der ebenfalls zum Spritzen erwärmte Kunststoff 12 mit den Kunststoffanteilen des Organoblechs dann eine besonders innige Verbindung, insbesondere eine vollständig stoffflüssige Verbindung, eingeht.
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Insgesamt zeigt die Erfindung, wie mittels eines besonders einfachen Verfahrens, ähnlich einem Spritzprägeverfahren, ein Hybrid-Struktur-Bauteil hergestellt wird. Hierbei erfolgen ein Spritzprägeprozess und ein Umformprozess in einem gemeinsamen Werkzeug und in einem einzigen gemeinsamen Arbeitsschritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015013193 A1 [0003]
- DE 102016102253 A1 [0004]
