DE19503574B4

DE19503574B4 - Umformwerkzeug für ein Kunststoff-Laminat

Info

Publication number: DE19503574B4
Application number: DE19503574A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Mehn; Peter Frei
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: DE19503574A1

Abstract

Werkzeug zum Umformen eines vorgewärmten Kunststoff-Laminats, insbesondere eines faserverstärkten thermoplastischen Laminats, mit einer Matrize sowie einer Patrize, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die mit dem Laminat in Kontakt kommende Werkzeugoberfläche anteilig oder vollständig in Kunststoff ausgebildet ist und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 W/mK bis 6 W/mK besitzt, die sich zumindest über eine Schichtdicke von 5 mm in die Tiefe des Werkzeugs hineinerstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Umformen eines vorgewärmten Kunststoff-Laminats, insbesondere eines faserverstärkten thermoplastischen Laminats, mit einer Matrize sowie einer Patrize.
Aus thermoplastischen Laminaten, insbesondere solchen aus faserverstärkten technischen thermoplastischen Kunststoffen lassen sich beispielsweise Strukturteile im Automobilbau fertigen. Bei diesen technischen Kunststoffen, deren Schmelztemperatur im Bereich von 140°C bis 270°C liegt, kann es sich beispielsweise um Polyamid (PA 6 oder PA 12), Polypropylen (PP), Polyethylenterephtalat (PET) oder Polybutylenterephtalat (PBT) handeln. Zu unterscheiden sind diese technischen Thermoplaste somit von den Standard-Thermoplasten wie PS oder PVC einerseits sowie von den hochtemperaturbeständigen Thermoplasten wie PEEK, PEI oder PSU, die insbesondere in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden, andererseits.
Eine Möglichkeit, Strukturteile aus diesen technischen Thermoplasten zu formen, besteht darin, ein faserverstärktes Laminat in erwärmtem Zustand in ein Umform-Werkzeug einzubringen. Dieses Umformwerkzeug kann analog einem Presswerkzeug ausgebildet sein und somit eine Matrize und eine Patrize aufweisen, zwischen denen das seine Umformtemperatur aufweisende und somit erweichte, umformbare Laminat entsprechend den Konturen von Patrize und Matrize geformt wird. Nach zumindest teilweiser Abkühlung kann das geformte Laminat dem Werkzeug entnommen werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Materialeigenschaften im oberflächennahen Bereich des umgeformten Laminats qualitativ nicht immer den gestellten Anforderungen genügen. Durch Messungen und Berechnungen wurde festgestellt, dass die Laminataußenschichten bei Kontakt mit der Werkzeugoberfläche einen Thermoschock erfahren. Dies bedeutet, dass die oberflächennahen Schichten des Laminats bei erstem Kontakt mit der Werkzeugoberfläche bereits so weit abgekühlt werden, dass ein thermoplastisches Umformen dieser äußersten Laminatschichten gar nicht mehr möglich ist.
Aus der AT 275 847 B ist eine Form zur Herstellung von Hohlkörpern durch Tiefziehen von erwärmten Platten oder Folien aus thermoplastischem Kunststoff bekannt, bei der auf den Formflächen ein Überzug aus einem Kunststoff-Hartschaum mit einer Deckschicht aus einem Kunststoff mit gegenüber dem Schaumstoff höherer Oberflächenfestigkeit angeordnet ist. Durch diesen Überzug der Formfläche soll erreicht werden, dass der erwärmten Kunststoffplatte während des Arbeitsverfahrens nur sehr wenig Wärme entzogen wird, so dass sie ihre hohe Verformbarkeit und Streckfähigkeit behält.
Aus JP 05 169 458 A . PAI ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils bekannt, bei dem die Oberflächen der Kavität eines Formwerkzeugs zunächst mit einer Schicht aus einem wärmeresistenten Polymer versehen werden, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,002 cal/cm·sec·°C und de ren Dicke im Bereich von 0,001–2 mm liegt. Nach dem Aushärten dieser ersten Kunststoffschicht wird in den von dieser ausgebildeten Hohlraum ein Kunststoff auf Harzbasis injiziert, um das Bauteil auszubilden.
Aus der DD 39 528 A5 ist eine Spritzgießform bekannt, die eine verhältnismäßig dünnwandige Form aus flüssigem bis pastenförmigen, durch Erwärmung aushärtbarem Kunststoff umfasst, wobei diese Form in einem passenden, starren und widerstandsfähigen, hoch wärmeleitfähigen Gerüst gehaltert ist. In der Form können weiterhin Füllstoffe aus hoch wärmeleitfähigen Werkstoffen, wie Leichtmetallen, enthalten sein, wobei die Wandung der Form im Wesentlichen etwa 1–4 mm dick ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Werkzeug bereitzustellen, mit dem ein Kunststoff-Laminat umgeformt werden kann, wobei die Materialeigenschaften im oberflächennahen Bereich des umgeformten Laminats qualitativ hochwertig sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Werkzeug vorgeschlagen, bei dem zumindest die mit dem Laminat in Kontakt kommende Werkzeugoberfläche anteilig oder vollständig in Kunststoff ausgebildet ist und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 W/mK bis 6 W/mK besitzt. Insbesondere soll die Wärmeleitfähigkeit der Werkzeugoberfläche im Bereich zwischen 0,95 W/mK und 3 W/mK liegen.
Erfindungsgemäß wird die abrupte Wärmeabfuhr aus dem vorgewärmten Laminat bei Kontakt mit der Werkzeugoberfläche gebremst, indem die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeuges zumindest in den mit dem Laminat in Kontakt kommenden Bereichen relativ gering gehalten wird. Insofern unterscheidet sich ein erfindungsgemäßes Werkzeug wesentlich von den bisher üblichen Aluminium- oder Stahlwerkzeugen, da deren Wärmeleitfähigkeit deutlich höher ist. Mit der angegebennen Wärmeleitfähigkeit, die sich zumindest über eine Schichtdicke von 5 mm in die Tiefe des Werkzeuges hineinerstreckt, wird somit einerseits ein abruptes Auskühlen der Laminatoberfläche verhindert, andererseits ist jedoch weiterhin sichergestellt, daß das umgeformte Laminat noch in diesem Werkzeug ausreichend abkühlen kann, um schließlich im wesentlichen formbeständig diesem Werkzeug entnommen werden zu können. Dieser Abkühlprozeß, d. h. die sich ergebende Verweilzeit für das umgeformte Laminat im Werkzeug beträgt typischerweise 10 Sekunden bis zu 3 Minuten.
Einstellbar sind die angegebenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit besonders gut bei Verwendung eines Kunststoffmaterials für die Werkzeugoberfläche, wobei diesem bevorzugt hochtemperaturbeständigen Kunststoffmaterial Metallpulver beigemengt werden kann. Durch Variation der beigemengten Metallpulvermenge lassen sich die gewünschten Werkstoffeigenschaften der Werkzeugoberfläche gezielt einstellen. Einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, der einer Temperatur zwischen 220°C bis 250°C schadlos ausgesetzt werden kann, kann bis zu 70 Gewichtsprozent Metallpulver, insbesondere Aluminiumpulver, Eisenoxidpulver oder auch Eisenspäne beigemengt werden. In diesem Zusammenhang ist auch eine geeignete spezifische Wärmekapazität einstellbar; diese sollte im Bereich von 1,75 kJ/kgK bis 2,09 kJ/kgK liegen. Ferner können durch geeignete Zusammensetzung der Werkzeugoberfläche auch gewünschte Schrumpf- und Gleiteigenschaften eingestellt werden. Optimierungen können ferner erfolgen im Hinblick auf Abrieb, Chemikalienbeständigkeit sowie mechanische Härte, die bevorzugt im Bereich von 85 bis 87 Shore D liegt.
Die Matrize sowie die Patrize können als Vollkunststoffwerkzeug oder als hinterfülltes Kunststoffwerkzeug ausgebildet sein, wobei der Begriff "Vollkunststoff" derart zu verstehen ist, daß dem Vollkunststoff bereits eine geeignete Menge von Metallpulver oder dgl. beigemengt ist. Es ist aber auch möglich, auf einen metallischen Werkzeug-Grundkörper eine geeignete Oberflächenschicht aufzubringen, die ihrerseits anteilig oder vollständig in Kunststoff ausgebildet ist und die genannten Werte der Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wie bereits erwähnt, sollte diese Oberflächenschicht dabei eine Dicke von zumindest 5 mm besitzen. Dabei können geeignete Maßnahmen vorgesehen sein, um die Haftung zwischen der Oberflächenschicht sowie dem Werkzeug-Grundkörper zu verbessern. So kann beispielsweise der Werkzeug-Grundkörper durch Sandstrahlen aufgerauht werden, es ist jedoch auch möglich, den zumeist in Aluminium oder Stahl ausgeführten Werkzeug-Grundkörper mit Kerben, Bohrungen, Nuten oder dgl. zu versehen, um eine formschlüssige Verbindung zwischen der aufgetragenen Oberflächenschicht sowie dem Grundkörper herzustellen. Wie bereits erwähnt, ist es jedoch auch möglich, das Werkzeug vollständig in einem entsprechend geeigneten Werkstoff auszuführen, der aus Kunststoff besteht und dem geeignete Mengen eines geeigneten Metallpulvers beigemengt sind.
Mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug, dessen mit einem umzuformenden Laminat in Kontakt kommende Oberfläche die angegebene Wärmeleitfähigkeit besitzt und hierzu anteilig oder vollständig in Kunststoff ausgebildet ist, lassen sich deutlich verbesserte Umformergebnisse insbesondere an faserverstärkten thermoplastischen Laminaten erzielen. So erfolgt keine Versteifung der Laminat-Randschichten durch schlagartiges Abkühlen bei Werkzeugkontakt. Verbessert wird daher das Umformverhalten, was letztendlich zu verbesserten Materialeigenschaften führt. Insgesamt ist die Umformung auch bei niedrigeren Werkzeugtemperaturen durchführbar. Schließlich ergibt sich bezüglich des aus dem Laminat zu formenden Strukturteiles eine geringere Dickentoleranz aufgrund der gesteigerten Formbarkeit des thermoplastischen Materials, welches beim ersten Werkzeugkontakt eine geringere Abkühlung erfährt. Die Oberflächenqualität des schließlich geformten Strukturteiles wird hiermit verbessert.

Claims

Werkzeug zum Umformen eines vorgewärmten Kunststoff-Laminats, insbesondere eines faserverstärkten thermoplastischen Laminats, mit einer Matrize sowie einer Patrize, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die mit dem Laminat in Kontakt kommende Werkzeugoberfläche anteilig oder vollständig in Kunststoff ausgebildet ist und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 W/mK bis 6 W/mK besitzt, die sich zumindest über eine Schichtdicke von 5 mm in die Tiefe des Werkzeugs hineinerstreckt.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen metallischen Werkzeug-Grundkörper eine geeignete Oberflächenschicht aufgebracht ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Matrize und Patrize als Vollkunststoffwerkzeug oder als hinterfülltes Kunststoffwerkzeug ausgebildet sind.
Werkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeug-Oberflächenschicht aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff mit beigemengtem Metallpulver besteht.