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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils, wobei das Sandwichbauteil eine zwischen zwei äußeren Deckschichten angeordnete poröse Zwischenschicht aufweist.
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Im Rahmen des Leichtbaus ist es bekannt, Sandwichbauteile einzusetzen mit einem mehrschichtigen, z.B. dreischichtigen Aufbau, wobei eine Mittelschicht aus geschäumtem Material eingesetzt wird. Solche Sandwichbauteile können beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Hierbei wird das Kunststoffmaterial im Spritzgusswerkzeug derart aufgeschäumt, dass das resultierende Bauteil an den äußeren Schichten eine glatte Oberfläche (mit hoher Dichte) und im Inneren eine leichte Schaumstruktur aufweist. Jedoch lassen sich im Spritzgussverfahren nur beschränkte Faserlängen, z.B. Kurzfasern von 0,5 mm bis vereinzelt 2 mm Länge verarbeiten, wodurch das zu erreichende Elastizitätsmodul derartiger Bauteile gering ist und sich das Verfahren nicht für große, flächige Bauteile eignet.
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Zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit einer Lang- oder Endlosfaserverstärkung ist es beispielsweise aus der
DE 10 2005 0030713 A1 bekannt, zunächst einen Sandwichrohling herzustellen mit trockenen Verstärkungsfaser-Decklagen und einem dazwischen angeordneten Hohlkörper-Sandwichkern. In einem Injektionsverfahren wird ein aushärtbares Harz in die Decklagen injiziert. Um ein Eindringen des Harzes in den Sandwichkern zu verhindern, sind zusätzliche Trennfolien zwischen dem Sandwichkern und den Decklagen vorgesehen. Das Verfahren erfordert viele separate Arbeitsschritte und ist damit aufwendig und teuer.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils aufzuzeigen, bei dem die voranstehend beschriebenen Nachteile nicht oder in verringertem Maße auftreten. Insbesondere soll eine Möglichkeit angegeben werden, wie Sandwichbauteile mit hohen mechanischen Festigkeitswerten auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar sind.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren angegeben zur Herstellung eines Sandwichbauteils, welches eine zwischen einer oberen und unteren Deckschicht liegende poröse Zwischenschicht aufweist, unter Verwendung eines Organoblechs, welches erwärmt und in einem Formwerkzeug zu dem Sandwichbauteil umgeformt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Einlegen des Organoblechs in das Formwerkzeug,
- - Schließen des Formwerkzeugs in eine erste Schließstellung, wodurch das Organoblech in einer Werkzeugkavität aufgenommen wird,
- - Einpressen von Gas in das Innere des Organoblechs zur Erzeugung eines Überdrucks in der Werkzeugkavität, während das Formwerkzeug von der ersten Schließstellung in eine zweite Schließstellung geöffnet wird.
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Unter Organoblech wird ein plattenförmig bzw. blechartig geformtes Halbzeug verstanden, das sich durch eine thermoplastische Matrix und darin eingebettete Verstärkungsfasern in Form von Lang- und/oder Endlosfasern auszeichnet. Die mechanischen Eigenschaften des Bauteils werden maßgeblich durch die Verstärkungsfasern bestimmt. Vorzugsweise liegen die Fasern in gerichteter Form im Organoblech vor, beispielsweise als Gelege, Geflecht, Gewebe oder als Roving (Faserbündel).
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Als thermoplastische Matrix werden thermoplastische Kunststoffe verwendet, welche oberhalb einer vorbestimmten Temperatur plastifizierbar sind. Hierzu wird das Organoblech vor der Umformung im Formwerkzeug erwärmt, z.B. in einer separaten Aufheizstation vor dem Einlegen in das Formwerkzeug, durch Wärmestrahler, wenn es bereits in das Werkzeug eingelegt ist, oder durch beheizbare Formhälften des Werkzeugs.
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Das Formwerkzeug weist typischerweise zwei Formhälften auf, die zueinander geöffnet und geschlossen werden können und im geschlossenen Zustand eine Kavität umschließen. Erfindungsgemäß wird das Formwerkzeug zunächst in eine erste Schließstellung geschlossen, in der das Organoblech von der Kavität aufgenommen ist. Nun wird das Formwerkzeug bis in eine zweite Schließstellung geöffnet, hierzu werden die Formhälften um eine vorgegebene Strecke auseinander bewegt, z.B. um mehrere Millimeter bis in den Zentimeterbereich, wodurch das Volumen der Kavität vergrößert wird. Während der Werkzeugbewegung wird Gas in das Innere des Organoblechs eingepresst, so dass ein Überdruck im Formwerkzeug entsteht. Das Einpressen des Gases bewirkt auch einen erhöhten Innendruck im Organoblech, welcher die Randbereiche des Organoblechs an die Kavitätswandung presst. Die Außenkontur des Organoblechs nimmt die Kontur der Kavität an. Da das Kavitätsvolumen in der zweiten Schließstellung größer ist als das Volumen des ursprünglich in der Kavität aufgenommenen Organoblechs, drückt das eingepresste Gas das plastifizierte Matrixmaterial nach außen und bildet im Inneren des Organoblechs Gasblasen. Als Resultat bildet sich im Inneren des Organoblechs eine mit Gasblasen durchsetzte, poröse bzw. geschäumte Matrixstruktur.
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Das so zum Sandwichbauteil umgeformte Organoblech verbleibt bis zur Erstarrung des Matrixmaterials im Formwerkzeug. Dabei macht sich das Verfahren zusätzlich zu Nutze, dass das Organoblech von außen nach innen abkühlt. Mit anderen Worten erkaltet das Matrixmaterial, welches an die Kavitätswandung angrenzt, schneller als das weiter innenliegende, wodurch die Gasblasen nicht bis in den Randbereich vordringen. Die poröse bzw. geschäumte Struktur bildet sich lediglich in einem inneren Bereich des Organoblechs aus. In den an die Kavitätswand angrenzenden Deckschichten bildet das Matrixmaterial dagegen eine geschlossene Oberfläche.
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Die in der zweiten Schließstellung von den Formhälften gebildete Kavität ist der Form des herzustellenden Bauteils nachempfunden. Somit kann vorteilhafter Weise die Umformung des Organoblechs zum Bauteil und das Erzeugen der geschäumten Sandwichstruktur in einem Werkzeug und im selben Verfahrensschritt erfolgen.
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Der Gaseintrag kann besonders gut gesteuert werden, wenn das Gas über eine Vielzahl von Gaszuführkanülen in das Organoblech eingepresst wird, welche von zumindest einer Formhälfte des Formwerkzeugs in das Organoblech hineinragen. Vorzugsweise sind die Gaszuführkanülen flächig über die Oberfläche der Formhälfte verteilt angeordnet, um eine gleichmäßigen Eintrag von Gas über die gesamte Fläche zu erreichen. Die Gaszuführkanülen stehen von der Kavitätswand in Richtung auf das Innere der Kavität vor. Wird das Organoblech in das Werkzeug gelegt und das Werkzeug in die erste Schließstellung geschlossen, so dringen die Gaszuführkanülen von außen in das Innere des Organoblechs ein. Die Länge der Gaszuführkanülen ist vorzugsweise so gewählt, dass sie in einem mittleren Bereich des Organoblechs enden. Das Einpressen des Gases in die Kanülen erfolgt z.B. über eine Gasversorgungsvorrichtung und im Formwerkzeug angeordnete Zuführkanäle, welche den Gasstrom auf die einzelnen Gaszuführkanülen aufteilen. Das Gas tritt aus Gasaustrittsöffnungen aus den Gaszuführkanülen aus und in das Organoblech ein. Die Gasaustrittsöffnungen können z.B. am freien Ende der Gaszuführkanülen angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können auch Gasaustrittsöffnungen auf der Seite der Gaszuführkanülen angeordnet sein. Als Gas kann z.B. Druckluft verwendet werden.
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Vorzugsweise sind die Kanülen nadelartig ausgebildet, d.h. ihr Durchmesser ist sehr dünn gehalten und kann z.B. weniger als 1 mm und vorzugsweise weniger als 0,5 mm betragen. Die Kanülen können an ihrem freien Ende eine Spitze aufweisen, wodurch das Einstechen in das Organoblech erleichtert wird und eine Materialschädigung reduziert wird. Die nadelartig ausgebildeten Kanülen bewirken zudem eine Fixierung des Organoblechs im Formwerkzeug. Diese Fixierung verhindert eine ungewollte Bewegung des Organoblechs wie z.B. ein Verrutschen, insbesondere während das Werkzeug von der ersten Schließstellung in die zweite Schließstellung geöffnet wird. Zudem Fixieren die nadelartigen Kanülen die Randbereiche des Organoblechs an der Kavitätswand und unterstützen hierdurch die Ausbildung der Schaumstruktur im Inneren des Organoblechs.
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In einer Ausgestaltung ragen die Gaszuführkanülen von beiden Formhälften in das Innere der Kavität hinein. Hierdurch wird ein noch gleichmäßigerer Gaseintrag möglich. Die Fixierung an beiden Formhälften stellt zudem sicher, dass das Organoblech sowohl auf der Ober- als auch Unterseite in Anlage mit der Kavitätswand bleibt.
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Bevorzugt ragen die Gaszuführkanülen in der ersten Schließstellung durch mindestens eine Faserlage des Organoblechs hindurch. Hierzu wird die Länge der Gaszuführkanülen, mit der sie in die Kavität hineinragen, entsprechend ermittelt und gewählt. Durch die zusätzliche Fixierung der äußeren Faserlagen wird sichergestellt, dass die (ungeschäumte) Deckschicht mit einer Faserverstärkung versehen ist, wodurch die Bauteileigenschaften weiter verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Gasaustrittsöffnungen der Gaszuführkanülen in verschiedenen Ebenen angeordnet, vorzugsweise in vier oder mehr Ebenen. Indem die Kanülen mit ihren Gasaustrittsöffnungen unterschiedlich weit in die Kavität bzw. das Organoblech hineinreichen, wird das Gas in einem größeren Volumen im Inneren des Organoblechs verteilt. Es bilden sich kleinere und gleichmäßiger verteilte Gasblasen, wodurch die Festigkeit der resultierenden porösen Matrixstruktur weiter optimiert wird. Beispielsweise können die Ebenen so gewählt sein, dass die Gasaustrittsöffnungen zwischen unterschiedlichen Faserlagen liegen. So wird eine poröse Struktur erzeugt, die von Faserlagen durchzogen ist.
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Die Gaszuführkanülen können, wie voranstehend beschrieben, durch die Schließbewegung des Formwerkzeugs in das Organoblech eingedrückt werden. Zur leichteren Entformung des fertigen Bauteils kann es von Vorteil sein, wenn die Gaszuführkanülen in die jeweilige Formhälfte zurückziehbar sind. Dementsprechend können die Gaszuführkanülen erst bei bereits geschlossenem Werkzeug in das Bauteil gefahren werden.
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In einer Ausgestaltung werden die Gaszuführkanülen vor dem Entformen des Bauteils, d.h. nach dem Erstarren des Matrixmaterials oder bereits nach dem Erreichen der zweiten Schließstellung, in die Formhälften des Formwerkzeugs zurückgezogen.
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Als Verstärkungsfasern können z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und weitere bekannte organische, anorganische oder metallische Verstärkungsfasern verwendet werden. Zur Erzielung hoher mechanischer Eigenschaften wird vorzugsweise ein Organoblech verwendet, welches Verstärkungsfasern in Form von Kohlenstofffasern aufweist.
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Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von flächigen Sandwichbauteilen. Das Verfahren kann insbesondere verwendet werden, um Fahrzeugbauteile wie z.B. Karosseriebauteile, Struktur- oder Karosserieanbauteile herzustellen.
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Durch die Verwendung eines Organoblechs mit Lang- bzw. Endlosfaserverstärkung können hohe Elastizitätsmodule erreicht werden. Zudem erfordert das Verfahren keine zusätzlichen Prozessschritte und ist damit einfach und kostengünstig in bestehende Fertigungsstrukturen zu integrieren. Die erzielten Bauteile sind z.B. zudem leichter als vergleichbare, im Nasspressverfahren hergestellte Bauteile.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
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Bei dem Verfahren wird zunächst ein Organoblech bereitgestellt. Das Organoblech 1 beinhaltet ein thermoplastisches Matrixmaterial 2 sowie darin eingebettete Verstärkungsfasern 3. Die Verstärkungsfasern 3 liegen vorzugsweise in Form von mehreren Lagen von gerichteten Lang- und/oder Endlosfasern vor, beispielsweise als Gelege oder Gewebe. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur eine Faserlage 3A mit Bezugszeichen versehen. Besonders bevorzugt beinhalten die Faserverstärkung 3 Kohlenstofffasern oder besteht aus diesen.
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Das Organoblech 1 wird anschließend in einem Formwerkzeug 4 zu einem Sandwichbauteil umgeformt. Hierzu wird das thermoplastische Matrixmaterial 2 durch Erwärmung in einen plastifizierbaren Zustand gebracht. Die Erwärmung erfolgt in einer gesonderten, vorgelagerten Aufheizstation.
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Ist das Organoblech 1 in das Formwerkzeug 4 eingelegt, so wird dieses in eine erste Schließstellung I geschlossen. In der ersten Schließstellung I verbleibt zwischen den Formhälften 5, 6 des Formwerkzeugs 4 eine erste Kavität, in der das Organoblech 1 aufgenommen wird. Von den Formhälften 5, 6 des Formwerkzeugs 4 ragen eine Vielzahl von Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... in die Kavität hinein, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei mit Bezugszeichen 20, 21 und 22 versehen sind. Die Gaszuführkanülen sind nadelartig, also sehr dünn, ausgebildet und stechen in das Organoblech 1 ein. Die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... können durch die Schließbewegung des Formwerkzeugs 4 in das Organoblech 1 getrieben werden. Ebenso ist es möglich, dass die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... in der Formhälfte versenkbar ausgeführt sind und erst nach der Schließbewegung des Formwerkzeugs 4 in das Organoblech 1 eingestochen werden.
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Nun wird über eine nicht näher dargestellte Gaszuführung ein Gas G durch Gaszuleitungen 7, 8 und die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... in das Innere des Organoblechs 1 eingepresst. Das Gas tritt aus nicht näher dargestellten Gasaustrittsöffnungen aus den Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... aus, die beispielsweise am freien Ende der Gaszuführkanülen und alternativ oder ergänzend an den Seiten der Gaszuführkanülen angeordnet sein können. Das austretende Gas erzeugt im Organoblech 1 und der Kavität einen Überdruck. Während das Gas eingepresst wird, wird nun das Formwerkzeug 4 um eine kleine Strecke von der ersten Schließstellung I in eine zweite Schließstellung II geöffnet, wodurch das Volumen der Kavität vergrößert wird. Beispielsweise können die Formhälften 5, 6 um mehrere Millimeter oder im Bereich von einem oder zwei Zentimetern auseinander bewegt werden.
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Der Gaseintrag im Inneren des Organoblechs, der resultierende Überdruck in der Kavität und die gesteuerte Vergrößerung des Kavitätsvolumens bewirken, dass die Randbereiche des Organoblechs 1 an die Kavitätswandung gepresst werden, während sich im Inneren des Organoblechs eine poröse, mit Gasblasen durchsetzte Matrixstruktur 9 bildet (dargestellt durch die Schraffur). Das resultierende Bauteil 10 weist folglich einen Sandwichaufbau auf mit zwei geschlossenen Deckschichten 11, 12 und einer dazwischen angeordneten porösen Matrixstruktur 9. Die Faserlagen befinden sich in den Deckschichten 11, 12 und können auch in der porösen Matrixstruktur 9 vorhanden sind.
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Die Kavität bildet in der ersten Schließstellung I bereits eine endkonturnahe Geometrie ab. Lediglich die Wandstärke ist noch nicht endgültig. In dieser ersten Schließstellung I kann das Organoblech 1 bereits zu der Form des endgültigen Bauteils umgeformt werden. Die Kavität erzeugt anschließend in Schließstellung II die Sandwichstruktur.
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Die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ...sind flächig über die Kavität verteilt. Sie können nur von einer Seite in die Kavität reichen oder wie gezeigt von beiden Formhälften 5, 6 aus vorstehen. Die Gaszuführkanülen durchdringen vorzugsweise zumindest eine Faserlage, wodurch diese zusätzlich an der Kavitätswand fixiert wird. Vorzugsweise sind die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... in mehreren Ebenen E1, E2, E3 angeordnet, d.h. sie haben verschiedene Längen und enden im Organoblech in verschiedenen Tiefen. Beispielsweise kann die Lage der Ebenen so gewählt sein, dass die Gaszuführkanülen zwischen unterschiedlichen Faserlagen enden.
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Nach dem Öffnen in die zweite Schließstellung verbleibt das Sandwichbauteil 10 noch bis zum Erstarren des Matrixmaterials 2 im Formwerkzeug 4. Anschließend kann das Formwerkzeug 4 vollständig geöffnet werden und das Sandwichbauteil 10 kann entnommen und z.B. weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt werden. Zur leichteren Entformung kann es vorgesehen sein, dass die Gaszuführkanülen 20, 21, 22, ... zurückziehbar ausgestaltet sind und vor dem Entformen oder nach Erreichen der zweiten Schließstellung in die Formhälften 5, 6 zurückgezogen werden.
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Vorteilhafter Weise findet der Prozess in einem dafür vorgesehenen Werkzeug auf einer Spritzgussmaschine statt. Dadurch kann direkt auf das Sandwichbauteil z.B. eine Funktionalisierung (Clipse, Halterungen) oder auch eine Versteifung (bspw. Rippen) angespritzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Organoblech
- 2
- thermoplastisches Matrixmaterial
- 3
- Faserverstärkung
- 3A
- Faserlage
- 4
- Formwerkzeug
- 5, 6
- Formhälften
- 7,8
- Verteilerkanäle
- 9
- poröse Matrixstruktur
- 10
- Sandwichbauteil
- 11, 12
- Deckschicht
- E1, E2, E3
- Ebenen
- I, II
- Schließstellungen des Formwerkzeugs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1020050030713 A1 [0003]
