DE19652517A1

DE19652517A1 - Verfahren zur Herstellung dünnwandiger, kontinuierlich faserverstärkter Thermoplast-Faserteile

Info

Publication number: DE19652517A1
Application number: DE1996152517
Authority: DE
Inventors: Volker Ketzer; Ulf Breuer
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1997-06-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen dünnwandigen Formteilen, welche aus thermoplastischen, kontinuierlich faserverstärkten Materialien bestehen.

Kontinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Halbzeuge können heute wirtschaftlich mittels Doppelbandpreßtechnik in Tafelform hergestellt werden (Quelle: EP 03 83 199 A1). Diese dienen dann als Ausgangsmaterial für die Herstellung dünnwandiger, hochbelastbarer Strukturbauteile, beispielsweise für Anwendungen im Automobilbau (Karosserie- und Fahrwerksbereich, Quelle: Mehn, R. et al: Innovative Leichtbau- und Fertigungskonzepte für Fahrzeugstrukturbauteile mit glasgewebeverstärkten Thermoplasten, VDI-Berichte Nr. 1235, VDI-Verlag Düsseldorf, 1995). Zur Herstellung dreidimensionaler Formteile müssen die Tafeln zunächst über die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt werden, damit eine Beweglichkeit der Verstärkungsfilamente für die anschließende Umformung möglich wird. Diese Umformung erfolgt durch Positionierung erwärmter Tafeln zwischen Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse und sofortiges Schließen der temperierten Formwerkzeughälften. Während der Abkühlung auf die Werkzeugtemperatur kommt es zu einer Verfestigung des Kunststoffs, so daß nach dem Öffnen der Presse das konsolidierte Formteil entnommen werden kann. Anders als bei unverstärkten Werkstoffen ist bei der Umformung jedoch ein Fließen bzw. eine Dehnung des Werkstoffs aufgrund der hohen Steifigkeit der kontinuierlichen Verstärkungsfasern nicht möglich. Eine Abformung dreidimensionaler Geometrien kann daher faltenfrei nur durch eine Anpassung der Fasern an die Kontur des Formwerkzeuges, d. h. eine Verdrehung der Fasern in der Halbzeugebene erreicht werden (Quelle: Breuer, U.; Neitzel, M.: "High Speed Stamp Forming of Thermoplastic Composite Sheets", Polymer & Polymer Composites, Vol. 4 No. 2 1996). An den Stellen einer Verdrehung der Fasern aus ihrer ursprünglichen geradlinigen Position heraus kommt es zu einer lokalen Verkleinerung der Halbzeugfläche, die für die Überführung des zweidimensionalen Halbzeugzuschnitts in die gewünschte dreidimensionale Form notwendig ist. Diese Verdrehung der Fasern erfolgt jedoch nicht freiwillig. Zu den zu überwindenden Widerständen gehört neben Reibvorgängen mit der Werkzeugwand vor allem die Verdrängung des hochviskosen Kunststoffs. Der Widerstand des Kunststoffs nimmt dabei mit fortschreitender Umformzeit bzw. abnehmender Temperatur stark zu. Daher wird eine Änderung der Faserorientierung vor allem bei großen Ziehtiefen erschwert und es kommt in der Praxis häufig zu unerwünschten Faltenbildungen.

Ziel ist es daher, die Umorientierung der Fasern durch Einwirkung äußerer Kräfte zu erzwingen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht das neue Verfahren die Anwendung spezieller Niederhalter vor. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Das erwärmte Laminat (a) wird zunächst zwischen Ober (1)- und Unterwerkzeug (2) positioniert. Bevor die Umformung erfolgt, schließen zunächst die Rollen-Niederhalter (3) und klemmen das Laminat paarweise, d. h. zwischen je einer oberen (4) und einer unteren (5) Rolle am Umfang ein. Durch entsprechende Oberflächen gestaltung der Rollen (z. B. gerändelt) entsteht dabei ein Formschluß zwischen Laminat und Rollen. Beim anschließenden Schließen der Werkzeughälften kommt es zum eigentlichen Umform- bzw. Tiefziehvorgang. Beim Einzug in die Form muß das Laminat den Widerstand für die Drehung der Rollen überwinden, es entstehen somit definierte Rückhaltekräfte. Durch entsprechende Positionierung und Ausrichtung der Rollenpaare am Umfang des Werkzeugs kann daher eine Änderung der Orientierung der Verstärkungsfasern erzwungen werden. Der Drehwiderstand der Rollen und somit die resultierende Rückhaltekraft kann an die Formteilgeometrie angepaßt und gesteuert werden. Eine Möglichkeit besteht in der konischen Lagerung (6) der Rollen, die eine Voreinstellung des Reibungswiderstandes in der Lagerfläche über eine Spannschraube (7) gestattet. Durch die Verwendung gesteuerter Hydraulikzylinder (8) ist es außerdem möglich, den Drehwiderstand durch eine Variation der Normalkraft geometrie- bzw. ziehtiefenabhängig zu verändern (z. B. Erhöhung der Anpreß- und damit Rückhaltekraft gegen Ende des Umformvorganges bei fortgeschrittener Verfestigung des Kunststoffs).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Formteilen mit kontinuierlicher Faserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Ausgangsmaterial nach Erwärmung zwischen festem Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse tiefgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der faltenfreien Formgebung Niederhalter verwendet werden, zwischen denen das Laminat eingeklemmt und in die Form eingezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederhalter je nach Formteilgeometrie in beliebiger Anzahl und Ausrichtung am Umfang der Werkzeuge positioniert werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Einzug in das Werkzeug zu überwindenden Kräfte bzw. Wege der Niederhalter ziehtiefenabhängig gesteuert werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Niederhalter in die Maschinensteuerung der Presse integriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederhalter in Gruppen oder separat ansteuerbar sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederhalter in das Werkzeugober- bzw. unterteil integriert werden.