DE102020110242A1 - Method for producing a hybrid component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (21), bestehend zumindest aus einem Blechteil (1), einem lang- oder endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug (23), das unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht (55) auf dem Blechteil (1) beschichtet ist, und einer Spritzgieß-Struktur (25) aus kurzfaserverstärktem Kunststoff, der auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert ist, wobei das Verfahren einen Thermoformprozess aufweist, in dem das lang- oder endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug (23) in einem formbaren Zustand auf das Blechteil (1) gepresst wird bzw. darin eindrapiert wird, und einen Spritzgießprozess aufweist, in dem die Spritzgieß-Struktur (25) auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert wird. Erfindungsgemäß erfolgen der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug (61) und in einem Spritzgieß-Werkzeug (63).The invention relates to a method for producing a hybrid component (21), consisting at least of a sheet metal part (1), a long or continuous fiber-reinforced semi-finished plastic product (23) which is coated on the sheet metal part (1) with an adhesion promoter layer (55) in between, and an injection molding structure (25) made of short fiber-reinforced plastic, which is applied to the plastic semi-finished product (23), the method comprising a thermoforming process in which the long or continuous fiber-reinforced plastic semi-finished product (23) is pressed onto the sheet metal part (1) in a malleable state is or is draped into it, and has an injection molding process in which the injection molding structure (25) is applied to the semi-finished plastic product (23). According to the invention, the thermoforming process and the injection molding process take place functionally independently of one another in a thermoforming tool (61) and in an injection molding tool (63).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Prozessanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 14 sowie ein Hybridbauteil gemäß Anspruch 15.The invention relates to a method for producing a hybrid component according to the preamble of
Haftvermittelnde Systeme, die die Anbindung zwischen zwei oder mehreren Fügepartnern ermöglichen, benötigen in der Regel eine Aktivierungstemperatur. Diese muss im Fügeprozess überschritten werden, um eine ausreichende Verbundfestigkeit zu erzielen. Die Fügepartner (z.B. Kunststoffe bzw. Kunststoffschmelze) benötigen für ein sicheres Handling eine ausreichende Formstabilität. Diese wird zumeist durch das Unterschreiten einer Entformtemperatur erreicht. Das Thermomanagement des Prozesses ist somit einer zyklisch wechselnden Temperaturführung unterworfen. Der Einsatz eines Temperiersystems, das den Temperaturwechsel durch Wärmezufuhr bzw. Entzug von Wärme an ein und demselben Werkzeug oder Werkzeugteil vollzieht, hat sich in der praktischen Anwendung aufgrund hoher Zeiten für die Temperaturwechsel als unwirtschaftlich erwiesen. Die Wirtschaftlichkeit eines variothermen Prozesses hängt also maßgeblich von der Dauer zum Wechsel der Prozesstemperaturen ab. Insbesondere für den Einsatz von Haftvermittlern und Haftvermittlungsschichten stellt dies das grundlegende Problem dar.Adhesion-promoting systems that enable the connection between two or more joining partners usually require an activation temperature. This must be exceeded in the joining process in order to achieve sufficient bond strength. The joining partners (e.g. plastics or plastic melts) require sufficient dimensional stability for safe handling. This is mostly achieved by falling below a demolding temperature. The thermal management of the process is therefore subject to cyclically changing temperature control. The use of a temperature control system that performs the temperature change by supplying or removing heat from one and the same tool or tool part has proven to be uneconomical in practical application due to the long times for the temperature change. The profitability of a variothermal process therefore depends largely on the time it takes to change the process temperatures. This is the fundamental problem, especially for the use of adhesion promoters and adhesion promoting layers.
Zur Herstellung eines Hybridbauteils sind die folgenden Verfahren bekannt:
- Hybrid-Plus-Technik: Bei der Hybrid-Plus-Technik wird ein verzinktes Stahlblech im Vorfeld mittels des Coil Coating-Verfahrens mit einem Haftvermittler und alternativ mit einer zusätzlichen Kunststoffkoppelschicht versehen. Das zu fertigende Bauteil wird einem herkömmlichen Spritzgießprozess überführt. Die Energie zur Aktivierung des Haftvermittlers oder der Haftvermittlerschicht wird durch die Wärmeenergie der Kunststoffschmelze bezogen. Die Kunststoffapplikation kühlt im Anschluss im Werkzeug ab und bildet einen festen Verbund zum Stahlblech. Bei der Hybrid-Plus-Technik wird die Kunststoffschmelze als Energieträger zur Aktivierung des Haftvermittlers genutzt. Die in der Kunststoffschmelze gespeicherte Energie ist allerdings nur ausreichend, um Haftvermittler mit niedrigen Aktivierungstemperaturen zu aktiveren. Insbesondere der Durchlauf durch die kathodische Tauchlackierung für Karosseriebauteile ist nicht unbedingt möglich. Des Weiteren kann es bei hochgefüllten Kunststoffen dazu kommen, dass die Haftvermittlerschicht durch die abrasive Wirkung des Füllstoffes mechanisch abgetrennt wird und sich vor der Schmelzfront sammelt. Eine Haftungswirkung ist dann nur noch bedingt gegeben.
- Hybrid-Plus technology: With the Hybrid-Plus technology, a galvanized steel sheet is provided in advance with an adhesion promoter and, alternatively, with an additional plastic coupling layer using the coil coating process. The component to be manufactured is transferred to a conventional injection molding process. The energy for activating the adhesion promoter or the adhesion promoter layer is obtained from the thermal energy of the plastic melt. The plastic application then cools down in the tool and forms a solid bond with the sheet steel. With the hybrid plus technology, the plastic melt is used as an energy carrier to activate the adhesion promoter. However, the energy stored in the plastic melt is only sufficient to activate adhesion promoters with low activation temperatures. In particular, the passage through the cathodic dip painting for body parts is not necessarily possible. Furthermore, with highly filled plastics it can happen that the adhesion promoter layer is mechanically separated by the abrasive effect of the filler and collects in front of the melt front. A liability effect is then only given to a limited extent.
Intrinsische Resin-Transfer-Moulding Technologie (intrinsisches RTM): Beim intrinsischen RTM-Prozess werden metallische Bleche mit faserverstärkten Kunststoffen gefügt. Im Vorfeld erfolgt eine Vorbehandlung der Fügefläche des Metalls. Dies kann eine Reinigung mittels Aceton oder eine Strukturierung der Oberfläche z.B. durch Laservorbehandlung sein. Die faserverstärkten Kunststoffe werden als ein Prepreg vorbereitet. Dazu werden trockene Faserlagen aufeinandergestapelt und in den Zwischenlagen mit einem als Adhäsiv wirkenden Kunststoffpulver versehen. Das Blech und der Prepreg werden zusammen in eine beheizte Presse gelegt und gefügt, wobei unter Druck und Wärme das Kunststoffpulver aufschmilzt und die Anbindung an das Blech sowie die Einbettung der Fasern ermöglicht. Das intrinsische RTM bedarf eines hohen Aufwands für die Vorbereitung der zu fügenden Partner. Insbesondere die Drapierung der trockenen Faserhalbzeuge stellt einen wesentlichen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der bei der Verarbeitung von vorimprägnierten Halbzeugen entfällt. Des Weiteren ist der Auftrag von Haftvermittlern und der Aufbau als Stapel als nachteilig zu nennen, da dies einen erhöhten Aufwand für das Handlingsystem darstellt.Intrinsic resin transfer molding technology (intrinsic RTM): In the intrinsic RTM process, metal sheets are joined with fiber-reinforced plastics. The joining surface of the metal is pretreated in advance. This can be cleaning with acetone or structuring of the surface, e.g. by laser pre-treatment. The fiber reinforced plastics are prepared as a prepreg. For this purpose, dry fiber layers are stacked on top of one another and provided with a plastic powder that acts as an adhesive in the intermediate layers. The sheet metal and the prepreg are placed and joined together in a heated press, whereby the plastic powder melts under pressure and heat and enables the connection to the sheet metal and the embedding of the fibers. The intrinsic RTM requires a lot of effort for the preparation of the partners to be joined. In particular, the draping of the dry semi-finished fiber products is an essential additional work step that is not required when processing pre-impregnated semi-finished products. Furthermore, the application of adhesion promoters and the structure as a stack are disadvantageous, since this represents an increased effort for the handling system.
Polymer-Injection-Forming (PIF): Das Polymer-Injection-Forming ist eine Abwandlung des Resin-Transfer-Moulding-Prozesses (RTM). Die Erweiterung des RTM-Prozesses zum PIF-Prozess besteht darin, dass die formgebende Vorrichtung zunächst zum Umformen der Blechkomponente des Bauteils genutzt wird. Im Anschluss wird eine meist aushärtende Formmasse (Harz-Härter-System) injiziert. Der Injektionsdruck sorgt für eine weitere Umformung des Bleches. Die Anbindung erfolgt mit Haftvermittlersystemen oder ohne zusätzliche Kopplerschichten. Dieser Prozess ist vorwiegend für die Anbindung duroplastischer Kunststoffe an Metallen nutzbar. Der Nachteil des PIF ist die ausschließliche Anwendbarkeit auf duroplastische Harz-Härter-Systeme oder andere leichtfließende Massen. Eine Übertragbarkeit auf thermoplastische Kunststoffe ist nicht gegeben.Polymer-Injection-Forming (PIF): Polymer-Injection-Forming is a modification of the Resin-Transfer-Molding-Process (RTM). The extension of the RTM process to the PIF process consists in the fact that the shaping device is first used to reshape the sheet metal component of the component. A mostly hardening molding compound (resin-hardener system) is then injected. The injection pressure ensures that the sheet metal is further deformed. The connection is made with bonding systems or without additional coupling layers. This process can mainly be used for the connection of thermosetting plastics to metals. The disadvantage of the PIF is that it can only be used with thermosetting resin-hardener systems or other easy-flowing compounds. A transferability to thermoplastics is not given.
Duroplastisches Prepregpressen: Beim duroplastischen Prepregpressen werden im Vorfeld zur Bauteilherstellung Halbzeuge in Form von geschichteten Aufbauten aus Blech und faserverstärkten Kunststoffen mit nicht-ausreagierten Harz-Härtersystemen hergestellt. Diese werden in ein temperiertes Werkzeug gelegt, welches das Stapelhalbzeug umformt und die nötige Aktivierungsenergie zur Aushärtung bereitstellt. Die Formvielfalt beim duroplastischen Prepregpressen ist stark eingeschränkt, da es sich dabei um einen reinen umformenden Prozess handelt, wohingegen insbesondere wirtschaftliche Prozesse die Kombination aus mehreren Füge-, Ur- und Umformprozessen abbilden.Thermosetting prepreg pressing: In the case of thermosetting prepreg pressing, semi-finished products in the form of layered structures made of sheet metal and fiber-reinforced plastics with unreacted resin hardening systems are produced in advance of component production. These are placed in a temperature-controlled tool, which reshapes the stacked semi-finished product and provides the necessary activation energy for curing. The variety of shapes in thermoset prepreg pressing is severely limited because it is a pure forming process, whereas economic processes in particular represent the combination of several joining, original and forming processes.
3D-Hybridtechnologie: Bei der 3D-Hybridtechnologie werden vorgeformte Blechhalbzeuge in die obere Hälfte eines zweigeteilten Umformwerkzeuges gelegt. Auf die untere Form wird eine vorgewärmte Fließpressmasse und ein glasfaserverstärktes Organoblech abgelegt. Durch den Pressvorgang wird das Organoblech in das Blechhalbzeug geformt und die Fließpressmasse bildet versteifend Rippen aus. Die Anhaftung des Organobleches am metallischen Blech wird durch eine zuvor aufgebrachte Haftvermittlerfolie oder Laserstrukturierung erzielt. Der Nachteil der 3D-Hybridtechnologie liegt im Einsatz von Fließpressmassen und dem damit verbundenem erhöhtem Aufwand für das Handling sowie der Fehleranfälligkeit für eine ungenaue Positionierung der geschmolzenen Fließpressmasse begründet.3D hybrid technology: In 3D hybrid technology, pre-formed sheet metal semi-finished products are placed in the upper half of a two-part forming tool. A preheated extrusion compound and a glass fiber reinforced organic sheet are placed on the lower mold. During the pressing process, the organic sheet is formed into the semi-finished sheet metal and the extrusion compound forms stiffening ribs. The adhesion of the organic sheet to the metallic sheet is achieved by a previously applied adhesive film or laser structuring. The disadvantage of the 3D hybrid technology lies in the use of extrusion masses and the associated increased effort for handling as well as the susceptibility to errors for inaccurate positioning of the molten extrusion mass.
3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischem Spritzguss: Die 3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischen Spritzguss ersetzt den Ansatz des Fließpressfomens mit einem Spritzgießsschritt zur Ausbildung versteifender Rippen. Dazu wird mittels einer Heißkanalanspritzung die Kavität kaskadisch gefüllt. Der Nachteil der 3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischem Spritzguss liegt in der Werkzeugausführung mit nur einer Kavität begründet. Die Werkzeugtemperatur muss einen Kompromiss aus möglichst schneller Kühlung nach dem Einspritzen, einer guten Formfüllung und einer Aktivierung des Haftvermittlersystems darstellen. Dadurch ist die Auswahl zur Verfügung stehender Spritzgussgranulate stark eingeschränkt und muss auf höher-temperaturbeständige Typen fallen. Des Weiteren muss der genutzte Haftvermittler zunächst aufwendig unter Temperatur und Vakuum händisch auf das Blechhalbzeug aufgetragen werden.3D hybrid technology with thermoplastic injection molding: The 3D hybrid technology with thermoplastic injection molding replaces the extrusion molding approach with an injection molding step to form stiffening ribs. For this purpose, the cavity is filled in a cascade by means of a hot runner injection. The disadvantage of the 3D hybrid technology with thermoplastic injection molding lies in the tool design with only one cavity. The mold temperature must represent a compromise between the fastest possible cooling after injection, good mold filling and activation of the adhesion promoter system. As a result, the selection of available injection molding granulates is very limited and must fall on higher-temperature-resistant types. Furthermore, the adhesion promoter used must first be applied manually to the semi-finished sheet metal product in a laborious manner under temperature and vacuum.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils bereitzustellen, bei dem der Fertigungsaufwand, der Bauteilaufwand sowie die Prozessdauer im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist.The object of the invention is to provide a method for producing a hybrid component in which the production effort, the component effort and the process duration are reduced compared to the prior art.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 14 oder des Anspruches 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is achieved by the features of
Die Erfindung geht von einem Hybridbauteil aus, das zumindest aus einem Blechteil, einem lang- oder endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug, das unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht auf dem Blechteil beschichtet ist, und einer Spritzgieß-Struktur aus kurzfaserverstärktem Kunststoff besteht, der auf das Kunststoffhalbzeug appliziert ist.The invention is based on a hybrid component that consists of at least one sheet metal part, a semi-finished plastic product reinforced with long or continuous fibers, which is coated on the sheet metal part with an intermediate layer of adhesion promoter, and an injection-molded structure made of short fiber-reinforced plastic which is applied to the semi-finished plastic product.
Die Haftvermittlerschicht kann vorab auf das Blechteil beschichtet sein. Das Blechteil kann bereits vorgeformt sein. Genutzte Bleche müssen jedoch nicht zwangsläufig bereits umgeformt sein, sondern können auch im Prozess integriert umgeformt werden. Die Form der Kunststoffapplikation ist ebenfalls beliebig. Dabei kann es sich um die Aufbringung von flächigen, in Kunststoffmatrix eingebetteten uni- oder mehrdirektional verstärkten Lang- oder Endlosfasersystemen (Gelege, Gestricke, Gewirke, Gewebe, Wirrvliese) handeln. Alternativ bzw. auch in Kombination dazu können Applikationen von Kunststoffstrukturen (Rippen, Funktionselemente) durch Gießverfahren auf Grundlage formloser Stoffe (Granulate, Pulver) oder Flüssigkeiten (Harze, reaktive Vorstufen von Polymeren) erfolgen.The adhesion promoter layer can be coated on the sheet metal part in advance. The sheet metal part can already be preformed. However, used sheets do not necessarily have to have already been formed, but can also be formed integrated in the process. The form of the plastic application is also arbitrary. This can involve the application of flat, unidirectional or multidirectional reinforced long or continuous fiber systems (nonwovens, knitted fabrics, knitted fabrics, woven fabrics, tangled nonwovens) embedded in a plastic matrix. Alternatively or in combination with this, plastic structures (ribs, functional elements) can be applied by casting processes based on shapeless substances (granulates, powder) or liquids (resins, reactive precursors of polymers).
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hybridbauteils kann einen Thermoformprozess sowie einen Spritzgießprozess aufweisen. Im Thermoformprozess wird ein lang- oder endlosfaserverstärktes Kunststoffhalbzeug in einem formbaren Zustand auf das Blechteil gepresst bzw. darin eindrapiert und zwar unter Bildung des auf dem Blechteil beschichteten Kunststoffhalbzeugs. Im anschließenden Spritzgießprozess wird die Spritzgieß-Struktur auf das Kunststoffhalbzeug appliziert. Mit Drapieren wird allgemeingültig das „Anschmiegen“ des faserverstärkten Kunststoffhalbzeuges an die durch das Blech vorgegebene Kontur beschrieben. Diese Kontur kann dabei dreidimensional aber auch zweidimensional sein.A method for producing such a hybrid component can have a thermoforming process and an injection molding process. In the thermoforming process, a semi-finished plastic product reinforced with long or continuous fibers is pressed or draped into the sheet metal part in a malleable state, namely to form the semi-finished plastic product coated on the sheet metal part. In the subsequent injection molding process, the injection molding structure is applied to the semi-finished plastic product. Draping generally describes the “nestling” of the fiber-reinforced plastic semi-finished product against the contour given by the sheet metal. This contour can be three-dimensional but also two-dimensional.
Die Matrix des Kunststoffhalbzeugs kann beispielhaft ein Thermoplast sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug beschränkt. Vielmehr können anstelle dessen duroplastische Prepregs verwendet werden. Dabei sind die Fasern in einem Gemisch aus einem Harz und einem Härter eingebettet, welches noch nicht ausreagiert ist und erst z.B. durch Wärmeeinbringung zur Reaktion und damit zur Bildung des duroplastischen Kunststoffes gebracht wird. Während des Handlings sind diese Prepregs nicht zwangsläufig heiß.The matrix of the plastic semifinished product can, for example, be a thermoplastic. However, the invention is not limited to a thermoplastic semi-finished product. Rather, thermosetting prepregs can be used instead. The fibers are embedded in a mixture of a resin and a hardener, which has not yet reacted and is only caused to react, e.g. by applying heat, and thus to form the thermosetting plastic. These prepregs are not necessarily hot during handling.
Die Spritzgieß-Struktur kann eine thermoplastische Schmelze (Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere) oder ein Harz-Härter-Gemisch (zur Erzeugung von Elastomere oder Duroplasten nach Vernetzungsreaktion) sein.The injection molding structure can be a thermoplastic melt (thermoplastics or thermoplastic elastomers) or a resin-hardener mixture (for the production of elastomers or thermosets after a crosslinking reaction).
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass bei Durchführung des Thermoformprozesses und des Spritzgießprozesses in einem gemeinsamen Werkzeug bzw. Werkzeugstufe - d.h. das Blechteil verbleibt sowohl beim Thermoformen als auch beim Spritzgießen unverändert in derselben Werkzeugkavität - mit zeitaufwendigen Aufheiz- und Abkühlvorgängen verbunden ist. Solche Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind erforderlich, um jeweils die Thermoform-Prozesstemperatur und die Spritzgießprozesstemperatur einzustellen.The invention is based on the fact that when the thermoforming process and the injection molding process are carried out in a common tool or tool stage - that is, the sheet metal part remains unchanged in the same tool cavity during both thermoforming and injection molding - is associated with time-consuming heating and cooling processes. Such heating and cooling processes are necessary in order to set the thermoforming process temperature and the injection molding process temperature, respectively.
Vor diesem Hintergrund werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 in Abkehr zum Stand der Technik der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess nicht mehr in einem gemeinsamen Werkzeug durchgeführt. Vielmehr erfolgen der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug (bzw. Thermoform-Werkzeugstufe) sowie einem davon separaten Spritzgieß-Werkzeug (bzw. Spritzgieß- Werkzeugstufe).Against this background, according to the characterizing part of
Der Ansatz der Erfindung besteht allgemein darin, dass - im Gegensatz zum Stand der Technik - ein Bauteil zwei oder mehr einzelne Werkzeuge oder Werkzeugteile durchläuft. Die Werkzeuge oder Werkzeugteile sind so temperiert, dass die benötigte Prozesstemperatur für den jeweils angedachten Verarbeitungsschritt angepasst ist. Die Prozesstemperaturen pro Werkzeug sind bevorzugt nicht wechselnd, sondern fest eingestellt, d. h. isotherm. Die Zeit für einen Temperaturwechsel hängt damit nicht mehr von der Dauer des Wärmetausches, sondern lediglich von der Transferdauer vom vorherigen ins nächstfolgende Werkzeug bzw. Werkzeugteil ab. Eine deutliche Reduzierung der Zykluszeit und damit eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist die Folge. Der Prozess kann zudem so ausgeführt werden, dass ein Bauteil zunächst alle Werkzeugstufen durchläuft. Alternativ kann jede Werkzeugstufe zu jeder Zeit des Prozesses genutzt werden.The approach of the invention is generally that - in contrast to the prior art - a component passes through two or more individual tools or tool parts. The tools or tool parts are tempered in such a way that the required process temperature is adapted to the processing step in question. The process temperatures per tool are preferably not changing, but are set permanently, i. H. isothermal. The time for a temperature change no longer depends on the duration of the heat exchange, but only on the transfer duration from the previous to the next tool or tool part. The result is a significant reduction in the cycle time and thus an increase in the economic efficiency of the process. The process can also be carried out in such a way that a component first goes through all tool stages. Alternatively, each tool stage can be used at any time in the process.
Die Erfindung beschreibt einen Prozess zur Herstellung von Hybridbauteilen in einem mehrfach mindestens jedoch zweifach geteilten Werkzeug, das es ermöglicht, prozessrelevante Parameter wie Temperatur oder Druck gezielt auf den jeweilig abzubildenden Prozessschritt anzupassen. Hier ist es zum Beispiel möglich, einen Thermoformprozess eines endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeuges mit einen Spritzgussprozess zu kombinieren, wobei verschiedene Temperaturprofile der Einzelprozessschritte erforderlich sind. Beim Thermoformen eines endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeuges kann eine hohe Temperatur (100 - 300 °C) des Blechhalbzeuges erforderlich sein, um eine belastbare stoffschlüssige Anbindung zwischen Blechhalbzeug und eingeformten endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug zu garantieren. In einem möglichen Folgeprozessschritt kann eine Applikation von Rippen auf das eingeformte Halbzeug erfolgen. Hierbei ist eine niedrigere Temperatur (60 - 140 °C) erwünscht, um eine wirtschaftliche und prozessstabile Abkühlung der Kunststoffrippen zu ermöglichen. Der Abkühlvorgang soll einerseits möglichst schnell erfolgen, aber nicht zu schnell, um Bauteilfehler wie Einfallstellen, Vakuolen oder Lunker zu vermeiden (um ausreichend lange Nachdruck auf das Bauteil geben zu können). Hierzu werden zwei Werkzeughälften mit unterschiedlicher Temperatur aufgebaut. Das Halbzeug wird nach dem ersten Prozessschritt bei einer hohen Temperatur entnommen und in der zweiten Werkzeugstufe abgekühlt. Insbesondere kann dadurch eine anforderungsgerechte Bauteilherstellung erfolgen und die Qualität der Bauteile sowie deren mechanischer Eigenschaften deutlich erhöht werden. Außerdem ermöglicht der Prozess eine wirtschaftliche Fertigung von Hybridbauteilen in kurzen Taktzeiten sowie die Verarbeitung hochschmelzender Haftvermittler oder Haftvermittlerschichten zusammen mit Standardthermoplasten für den Spritzguss. Aufgrund der Möglichkeit zur Realisierung schneller Temperaturwechsel ist der Prozess für variotherme Anwendungen, die sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen benötigen, wirtschaftlich sinnvoller als bekannte Prozesse, bei denen der Temperaturwechsel von der Leistungsfähigkeit des Wärmetausches abhängt.The invention describes a process for the production of hybrid components in a tool that is divided at least several times, but at least twice, which makes it possible to specifically adapt process-relevant parameters such as temperature or pressure to the respective process step to be mapped. Here it is possible, for example, to combine a thermoforming process of a continuous fiber-reinforced semi-finished plastic product with an injection molding process, whereby different temperature profiles of the individual process steps are required. When thermoforming a continuous fiber-reinforced plastic semi-finished product, a high temperature (100 - 300 ° C) of the sheet metal semi-finished product may be necessary in order to guarantee a resilient material connection between the sheet metal semi-finished product and the molded continuous fiber-reinforced plastic semi-finished product. In a possible subsequent process step, ribs can be applied to the molded-in semi-finished product. A lower temperature (60 - 140 ° C) is desirable here in order to enable the plastic ribs to cool down economically and in a stable manner. On the one hand, the cooling process should take place as quickly as possible, but not too quickly, in order to avoid component defects such as sink marks, vacuoles or blowholes (in order to be able to put sufficient pressure on the component). For this purpose, two mold halves are set up at different temperatures. After the first process step, the semi-finished product is removed at a high temperature and cooled in the second tool stage. In particular, this enables component manufacture to meet requirements and the quality of the components and their mechanical properties can be significantly increased. In addition, the process enables the economical production of hybrid components in short cycle times as well as the processing of high-melting adhesion promoters or adhesion promoter layers together with standard thermoplastics for injection molding. Due to the possibility of realizing rapid temperature changes, the process for variothermal applications that require both high and low temperatures makes more economic sense than known processes in which the temperature change depends on the efficiency of the heat exchange.
Durch das Zusammenfassen gleichartiger Verfahrensschritte aus verschiedenen Prozessen in einem Werkzeug bzw. Werkzeugteil können Synergieeffekte genutzt und dadurch Prozessschritte eingespart werden, was wiederum die Zykluszeit reduziert. Des Weiteren können Prozessparameter durch die Trennung der Werkzeugteile in Hinblick auf den durch das Werkzeugteil abzubildenden Prozessschritt optimal eingestellt werden. Dadurch kann eine zeit- und ressourceneffiziente Fertigung realisiert werden. Aufgrund der Möglichkeit zur gleichzeitig simultanen Produktion mit allen Werkzeugteilen wird die Anzahl gefertigter Bauteile je Zeiteinheit deutlich erhöht im Vergleich zu einer durchlaufenden Fertigung.By combining similar process steps from different processes in one tool or tool part, synergy effects can be used and process steps can be saved, which in turn reduces the cycle time. Furthermore, by separating the tool parts, process parameters can be optimally set with regard to the process step to be mapped by the tool part. This enables time- and resource-efficient production to be realized. Due to the possibility of simultaneous production with all tool parts, the number of components produced per unit of time is significantly increased compared to continuous production.
Der Prozess kann für die Fertigung sämtlicher Bauteile in Multi-Material-Bauweise eingesetzt werden. Insbesondere ist die Erfindung für hochvolumige Produktionen mit engen Kostenrahmen je Bauteil interessant. Durch die Flexibilität kann der Prozess sowohl für isotherme als auch variotherme Anwendungen, für Ein-Komponenten- oder Mehrkomponentenspritzguss und für reine Umformprozesse ausschließlich mit Metallen oder in Kombination mit anderen umform- oder urformbaren Materialien zum Einsatz kommen.The process can be used for the production of all components in multi-material construction. In particular, the invention is of interest for high-volume productions with a tight budget per component. Due to the flexibility, the process can be used for isothermal as well as variothermal applications, for one-component or multi-component injection molding and for pure forming processes exclusively with metals or in combination with other formable or formable materials.
Die wesentliche Neuerung des Prozesses ist der modulare Aufbau der Prozessstruktur, bei der möglichst wenige Abhängigkeiten der Prozessschritte untereinander vorliegen. Dadurch kann der Einzelschritt optimal auf die produktionstechnischen Anforderungen angepasst werden.The main innovation of the process is the modular structure of the process structure, with as few dependencies as possible Process steps exist among each other. This means that the individual step can be optimally adapted to the technical production requirements.
Im Stand der Technik wird meist das Ziel verfolgt, möglichst viele Prozessschritte in eine Fertigungsoperation zu vereinen und dadurch die Fertigungszeiten zu verkürzen. Die dadurch erzielte simultane, zykluszeitreduzierende Arbeitsweise wird in der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, dass bewusst die Aufteilung der Prozessschritte in mehrere Bearbeitungsstationen erfolgt, die ebenfalls alle gleichzeitig ablaufen. Dadurch bleibt die Zykluszeit mindestens gleich und kann durch die verringerten Abhängigkeiten durch optimierte Parametereinstellungen auch reduziert werden.In the state of the art, the aim is usually to combine as many process steps as possible into one manufacturing operation and thereby shorten manufacturing times. The simultaneous, cycle time-reducing mode of operation achieved in this way is achieved in the present invention in that the process steps are deliberately divided into several processing stations, which also all run simultaneously. As a result, the cycle time remains at least the same and can also be reduced due to the reduced dependencies through optimized parameter settings.
Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen beschrieben: So kann in einer technischen Umsetzung das Thermoform-Werkzeug eine Matrize und einen Stempel aufweisen. Dem Thermoform-Werkzeug kann bevorzugt eine Temperieranlage zugeordnet sein. Zur Vorbereitung des Thermoformprozesses kann zunächst das Blechteil in das Thermoform-Werkzeug eingelegt werden. Anschließend kann der Stempel in einem Pressvorgang das flächige Kunststoffhalbzeug in einem formbaren Zustand auf das Blechteil pressen und dabei in die Blechkontur drapieren. Das Kunststoffhalbzeug kann gegebenenfalls separat vom Thermoform-Werkzeug in einer Heizeinrichtung vorgewärmt werden, bis dessen formbarer Zustand erreicht ist.Aspects of the invention are described in detail below: Thus, in a technical implementation, the thermoforming tool can have a die and a stamp. A temperature control system can preferably be assigned to the thermoforming tool. To prepare for the thermoforming process, the sheet metal part can first be placed in the thermoforming tool. Subsequently, in a pressing process, the punch can press the flat semi-finished plastic product in a malleable state onto the sheet metal part and thereby drape it into the sheet metal contour. The plastic semifinished product can optionally be preheated separately from the thermoforming tool in a heating device until its malleable state is reached.
Eine einwandfreie Verbundfestigkeit zwischen dem Blechteil und dem Kunststoffhalbzeug ist von größter Bedeutung für das Hybridbauteil. Bevorzugt kann die hierzu erforderliche Haftvermittlerschicht thermisch aktivierbar sein, sobald eine Aktivierungstemperatur überschritten ist. Im Hinblick auf eine einfache Prozessführung kann das Thermoform-Werkzeug während des Thermoformprozesses bis auf eine Prozesstemperatur beheizt sein, die größer als die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht ist. Auf diese Weise wird eine feste Anbindung des Kunststoffhalbzeugs am Blechteil gewährleistet.A perfect bond strength between the sheet metal part and the plastic semi-finished product is of the utmost importance for the hybrid component. The adhesion promoter layer required for this can preferably be thermally activated as soon as an activation temperature is exceeded. With regard to a simple process control, the thermoforming tool can be heated during the thermoforming process to a process temperature which is higher than the activation temperature of the adhesion promoter layer. In this way, a firm connection of the semi-finished plastic product to the sheet metal part is guaranteed.
Das flächige Kunststoffhalbzeug wird ggf. in einer vom Thermoform-Werkzeug separaten Heizeinrichtung bis auf eine Verarbeitungstemperatur bzw. Schmelztemperatur vorgewärmt, in der die Kunststoffmatrix des Halbzeuges verarbeitbar bzw. schmelzeflüssig ist. Im Hinblick auf eine prozesssichere Haftung des Kunststoffhalbzeuges am Blechteil hat sich insbesondere eine Haftvermittlerschicht als günstig erweisen, die bei hoher Temperatur aktivierbar ist. Beispielhaft kann die die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht bei 220°C liegen, während die Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs bei 260°C liegen kann.The flat plastic semi-finished product is preheated, if necessary, in a heating device separate from the thermoforming tool to a processing temperature or melting temperature at which the plastic matrix of the semi-finished product can be processed or is molten. With regard to reliable adhesion of the semi-finished plastic product to the sheet metal part, an adhesion promoter layer that can be activated at a high temperature has proven to be particularly advantageous. For example, the activation temperature of the adhesion promoter layer can be 220 ° C, while the melting temperature of the plastic matrix of the plastic semifinished product can be 260 ° C.
Die Notwendigkeit der im Vergleich zum Stand der Technik relativ hohen Werkzeugtemperaturen (bis 260°C) liegt darin begründet, dass die Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers bzw. der Haftvermittlerschicht weitaus höher liegt, als die Temperaturen der bisher auf dem Markt erhältlichen Haftvermittler. Dadurch qualifiziert sich das Bauteil aber auch für den Einsatz unter erhöhten Temperaturen (z.B. beim Überbrand der kathodischen Tauchlackierung im Karosseriebau; 190°C), weil sich der Verbund erst wieder nach Überschreiten der Aktivierungstemperatur lösen würde.The necessity of the relatively high mold temperatures (up to 260 ° C) compared to the prior art is due to the fact that the activation temperature of the adhesion promoter or the adhesion promoter layer is much higher than the temperatures of the adhesion promoters available on the market up to now. As a result, the component also qualifies for use at elevated temperatures (e.g. when overbaking the cathodic dip painting in bodywork; 190 ° C), because the bond would only loosen again after the activation temperature was exceeded.
Mit Hilfe des temperierten Thermoform-Werkzeug ist erfindungsgemäß eine Temperaturführung ermöglicht, in der einerseits die Haftvermittlerschicht ausreichend lange über ihrer Aktivierungstemperatur gehalten werden kann. Andererseits kann auch durch gezielte Unterschreitung der Entformtemperatur eine Entformbarkeit gewährleistet werden. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Hälften der Werkzeugstufe bzw. des Einzelwerkzeuges für den Thermoformschritt unterschiedlich temperiert sind (eine Hälfte weit über der Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers (bzw. der Haftvermittlerschicht), die andere Hälfte unterhalb der Entformtemperatur). Dadurch können beim Schließen des Werkezuges thermische Ausgleichsvorgänge stattfinden, die es erlauben, dass die geforderten Temperaturen zur Aktivierung des Haftvermittlers auf dem Blech lange genug überschritten werden, aber dennoch eine Entformtemperatur nach wirtschaftlich sinnvoller Zeit erreicht wird. Durch eine isotherme Prozessführung der Werkzeughälften kann die Stabilität des Thermoformschrittes deutlich erhöht werden, weil die Rückführung der Ausgleichsvorgänge, also die Bildung einer homogenen Temperaturverteilung über die jeweilige Werkzeughälfte, schneller erfolgen als bei variothermen Ansätzen und zudem ein sicherer, bekannter Ausgangszustand nach jeder Nutzung eingestellt werden kann.With the aid of the temperature-controlled thermoforming tool, according to the invention, temperature control is made possible in which, on the one hand, the adhesion promoter layer can be kept above its activation temperature for a sufficiently long time. On the other hand, demouldability can also be guaranteed by deliberately falling below the demolding temperature. An essential aspect of the invention is that the halves of the tool step or the individual tool have different temperatures for the thermoforming step (one half well above the activation temperature of the adhesion promoter (or the adhesion promoter layer), the other half below the demolding temperature). As a result, when the tool is closed, thermal equalization processes can take place, which allow the temperatures required to activate the adhesion promoter on the sheet metal to be exceeded long enough, but a demolding temperature is still reached after an economically sensible time. An isothermal process control of the mold halves can significantly increase the stability of the thermoforming step, because the return of the equalization processes, i.e. the formation of a homogeneous temperature distribution over the respective mold half, takes place more quickly than with variothermal approaches and a safe, known initial state is set after each use can.
Nach erfolgtem Thermoformprozess wird der Bauteilverbund aus Blechteil und Kunststoffhalbzeug bis auf eine Entformtemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur bzw. der Verarbeitungstemperatur des Kunststoffes und/oder der Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers liegt, abgekühlt. Mit Erreichen der Entformtemperatur kann der Bauteilverbund mittels einer Transfereinheit in die Werkzeugkavität des Spritzgieß-Werkzeugs bzw. der Spritzgieß-Werkzeugstufe eingelegt werden, um den Spritzgießprozess zu starten. Im Spritzgießprozess wird je nach Ansatz eine thermoplastische Schmelze (Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere) oder ein Harz-Härter-Gemisch (zur Erzeugung von Elastomere oder Duroplasten nach Vernetzungsreaktion) in einer Injektionseinheit bis Erreichen eines verarbeitungsfähigen Zustandes erwärmt und anschließend unter Druck in die Werkzeugkavität des Spritzgieß-Werkzeugs injiziert. Dadurch bildet sich eine Spritzgieß-Struktur auf dem eindrapierten, lang- bzw. endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug.After the thermoforming process has taken place, the composite component consisting of sheet metal part and semi-finished plastic product is cooled down to a demolding temperature that is below the melting temperature or the processing temperature of the plastic and / or the activation temperature of the adhesion promoter. When the demolding temperature has been reached, the composite component can be inserted into the mold cavity of the injection molding tool or the injection molding tool step by means of a transfer unit in order to start the injection molding process. In the injection molding process, depending on the approach, a thermoplastic melt (thermoplastic or thermoplastic elastomer) or a resin-hardener mixture (to produce elastomers or thermosets after crosslinking reaction) is heated in an injection unit until a processable state is reached and then under pressure into the mold cavity of the injection molding - Injected into the tool. This creates an injection-molded structure on the draped-in, long or continuous fiber-reinforced semi-finished plastic product.
Das Spritzgießwerkzeug bzw. die Spritzgieß-Werkzeugstufe wird ebenfalls isotherm mit den für den Spritzgießprozess üblichen Temperiertechnologien und je nach Art des verwendeten Materials üblichen Temperaturen beheizt. Das Spritzgieß-Temperaturniveau ist wesentlich geringer als das Thermoform-Temperaturniveau.The injection molding tool or the injection molding tool stage is also heated isothermally using the temperature control technologies customary for the injection molding process and, depending on the type of material used, the customary temperatures. The injection molding temperature level is significantly lower than the thermoforming temperature level.
In einer konkreten technischen Umsetzung kann das Hybridbauteil zum Beispiel als eine Karosseriesäule in einem Karosseriebau in eine Fahrzeugkarosserie verbaut werden. Nach dem Karosseriebau folgt ein KTL-Prozess, bei dem die Fahrzeugkarosserie in einem Tauchbad mit KTL-Lack benetzt wird und anschließend die mit KTL-Lack benetzte Fahrzeugkarosserie in einem KTL-Ofen bis auf eine KTL-Temperatur aufgeheizt wird, in der der KTL-Lack aushärtet. Im Hinblick auf eine stabile Verbindungsfestigkeit des Kunststoffhalbzeugs am Blechteil sowie der Spritzgieß-Struktur am Kunststoffhalbzeug ist es von Relevanz, dass die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht sowie die Schmelztemperaturen des Kunststoffhalbzeugs und der Spritzgießstruktur größer sind als die KTL-Temperatur.In a specific technical implementation, the hybrid component can, for example, be built into a vehicle body as a body pillar in a body shop. The body shop is followed by a KTL process in which the vehicle body is wetted with KTL paint in an immersion bath and the vehicle body, which is wetted with KTL paint, is then heated in a KTL oven to a KTL temperature in which the KTL Lacquer hardens. With regard to a stable connection between the plastic semi-finished product and the injection-molded structure on the plastic semi-finished product, it is relevant that the activation temperature of the adhesion promoter layer and the melting temperatures of the plastic semi-finished product and the injection-molded structure are higher than the KTL temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Hybridbauteil zumindest einen Metall-Einleger aufweisen, der bevorzugt wie folgt im Hybridbauteil integrierbar ist: So kann in einen ersten Thermoform-Teilschritt das lang- bzw. endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug auf das Blechteil gepresst werden. In einem zweiten Thermoform-Teilschritt kann der Metall-Einleger in die noch plastifizierte Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeuges eingepresst werden. Die beiden Teilschritte können mit einem gemeinsamen Heißpress-Hub des Thermoform-Stempels erfolgen. Eine verbundfeste Integration des Metall-Einlegers im Hybridbauteil ist von besonderer Bedeutung. Von daher kann der Metall-Einleger zusätzlich randseitig mit der Spritzgieß-Struktur umspritzt sein. Dadurch ergibt sich eine umlaufende Einfassung, die zusammen mit dem Kunststoffhalbzeug den Rand des Metall-Einlegers umgreift.In a preferred embodiment, the hybrid component can have at least one metal insert, which can preferably be integrated in the hybrid component as follows: In a first thermoforming step, the long or continuous fiber-reinforced plastic semi-finished product can be pressed onto the sheet metal part. In a second partial thermoforming step, the metal insert can be pressed into the plasticized plastic matrix of the semi-finished plastic product. The two sub-steps can be carried out with a common hot press stroke of the thermoforming stamp. A solid integration of the metal insert in the hybrid component is of particular importance. The metal insert can therefore also be encapsulated with the injection-molded structure on the edge side. This results in a circumferential border which, together with the semi-finished plastic product, encompasses the edge of the metal insert.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.
Es zeigen:
-
1 in einer perspektivischen Teilansicht eine A-Säule in einer angedeuteten Einbaulage in einer Fahrzeugkarosserie; -
2 eine Schnittansicht entlang einer Schnittebene A aus der1 ; -
3 die Anlagenskizze einer Prozessanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
4 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer eine Prozessabfolge zur Herstellung eines Hybridbauteils veranschaulicht ist.
-
1 in a perspective partial view an A-pillar in an indicated installation position in a vehicle body; -
2 a sectional view along a sectional plane A from FIG1 ; -
3 the system sketch of a process arrangement for carrying out the method according to the invention; -
4th until7th in each case views, on the basis of which a process sequence for the production of a hybrid component is illustrated.
In der
Gemäß der
Anhand der
Der in der
In der
In der
Nachfolgend sind anhand der
Zusätzlich wird vor dem Start des Thermoformprozesses das bereits vorgeformte Blechteil
Mit Hilfe der Temperieranlage
Der im Thermoformprozess erzeugte Bauteilverbund
Im Thermoformprozess kann die Prozesstemperatur erfindungsgemäß isotherm auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das in einer Hälfte des Werkzeuges / der Werkzeugstufe wesentlich größer ist als die Schmelztemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- äußeres Blechteilouter sheet metal part
- 33
- inneres Blechteilinner sheet metal part
- 55
- oberer Säulenknotenupper column node
- 77th
- oberer Karosserielängsträgerupper body side member
- 99
- RahmenseitenteilFrame side part
- 1111
- QuerbaugruppeTransverse assembly
- 1313th
- unterer Säulenknotenlower column node
- 1515th
- SchwellerSill
- 1717th
- obere Anschraubbasisupper screw-on base
- 1919th
- untere Anschraubbasislower screw-on base
- 2121
- HybridbauteilHybrid component
- 2323
- KunststoffhalbzeugSemi-finished plastic products
- 2525th
- Spritzgieß-StrukturInjection molding structure
- 2727
- äußerer Profilgrundouter profile base
- 29, 3129, 31
- ProfilwändeProfile walls
- 3333
- RandflanscheEdge flanges
- 3939
- Metall-EinlegerMetal inlay
- 4949
- OberkanteTop edge
- 5151
- DichtelementSealing element
- 5555
- HaftvermittlerschichtAdhesion promoter layer
- 6060
- umlaufende Einfassungall-round edging
- 6161
- Thermoform-WerkzeugThermoforming tool
- 6363
- Spritzgieß-WerkzeugInjection molding tool
- 6565
- Matrizedie
- 6767
- Stempelrubber stamp
- 6969
- TemperieranlageTemperature control system
- 7070
- TemperieranlageTemperature control system
- 7171
- BauteilverbundComponent composite
- 7373
- TransfereinheitTransfer unit
- 7575
- WerkzeugkavitätMold cavity
- 77, 7977, 79
- Werkzeughälften des Spritzgieß-WerkzeugsMold halves of the injection molding tool
- II.
- FügerichtungJoining direction
- FF.
- FügeebeneJoining plane
- PP.
- ProzessrichtungProcess direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102017010437 A1 [0009]DE 102017010437 A1 [0009]
- WO 2019/215020 A [0009]WO 2019/215020 A [0009]
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-
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