DE19829352C2 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus flachem gewebeverstärktem Kunststoff in einem verschließbaren mit einem mit einer zustellbaren Heizeinrichtung versehenen Formwerkzeug, mit einem Formstempel, mindestens einem Fluidanschluss, einem Spannrahmen für den Rand des Kunststoffs und einem zustellbaren Formtisch mit einem eine Urform für den Formkörper aufweisenden Formwerkzeug, bei dem der endgeformte Formkörper bei anstehender Druckdifferenz abgekühlt wird.

Ein solches Verfahren ist bspw. aus dem Artikel "Thermoplastische Hochleistungsverbundwerkstoffe" in TR TRANSFER Nr. 45, 1995, Seite 26-28 bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren wird ein dreidimensionaler Formkörper aus flachem gewebeverstärktem Kunststoff hergestellt. Hierzu wird ein verschließbares Formwerkzeug verwendet, das mit einer zustellbare Heizeinrichtung versehen ist. Ferner weist das Formverkzeug einen Formstempel, mindestens einen Fluidanschluss, einen Spannrahmen für den Rand des Kunststoffs, einen zustellbaren Formtisch mit einer Urform für den Formkörper auf, wobei der endgeformte Formkörper bei anstehender Druckdifferenz abgekühlt wird.

Derartige Formkörper werden heute auf vielen Gebieten der Technik verwendet. Bspw. dienen sie in der Automobilindustrie als Verkleidungen, Armaturenhalterungen, Hutablagen u. dgl. Dabei werden an die Genauigkeit hohe Anforderungen gestellt und sie müssen hinsichtlich ihrer Oberfläche ebenfalls den verschiedensten Forderungen gerecht werden. Nicht zuletzt wird auch eine gewisse Steifigkeit verlangt, so dass sie unter ggf. auftretenden Belastungen ihre Form beibehalten.

Beim dem aus der EP 017 452 A1 vorbekannten Verfahren wird jeder Formkörper in eine eigens für ihn hergestellte Hülle eingeschweißt, die luftdicht ist und bspw. mittels einer Injektionsspritze evakuiert wird. Diese Hülle wird aus zwei Folien gefertigt, die sich zunächst oberhalb und unterhalb des flachen gewebeverstärkten Kunststoffs bzw. dessen Komponenten befinden.

Nach der Endverformung wird die Hülle abgenommen und muss entsorgt werden. Zuvor wird aber der vorgeformte, in der Hülle befindliche Formkörper aus der ersten Form herausgenommen und in eine Halteform gebracht. Dort erfolgt eine Erhitzung und eine Druckbeaufschlagung sowie nachfolgend eine Abkühlung. Nach diesen Arbeitsgängen wird die Hülle aufgeschlitzt und vom fertigen Formkörper abgenommen.

Diese Herstellungsweise ist sehr aufwendig und erfordert einen hohen Geräteaufwand. Außerdem ist sie mit viel Handarbeit verbunden und kann deshalb nicht automatisiert werden. Sie ist infolgedessen sehr kostenintensiv.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers ergibt sich aus der DE 20 56 477 A. Der Geräteaufwand ist hierbei zwar geringer, jedoch ist das Beschicken eines Spannrahmens mit einem Sandwich aus zwei Folien, einer dazwischenliegenden Armierungsschicht und dem letztere tränkenden flüssigen Kunstharz insofern sehr aufwendig, als auf Luftblasenfreiheit geachtet und die Armierungsschicht gegenüber den beiden größeren Folien exakt ausgerichtet in den Spannrahmen eingebracht werden muss. Es muss nämlich verhindert werden, dass durch den Spannrahmen die Armierungsschicht während des Spannvorgangs und auch während des Verformungsvorgangs festgehalten wird und dadurch eine freischwimmende Verlagerung beim Aushärten nicht stattfinden kann.

Für eine automatische Fertigung ist dieses Verfahren deshalb weniger geeignet. Im Übrigen ist es sehr zeitaufwendig und schon allein dadurch teuer.

Ein weiteres Verfahren gemäß DE 11 31 871 A ist insofern sehr aufwendig als zunächst eine imprägnierte Fasermatte beidseits mit einer Folie bedeckt wird und nach dem Verformen in einer Vakuumzieheinrichtung eine der beiden Folien wieder abgenommen werden muss. Es muss sich also um eine Folie handeln, die sich mit der Fasermatte nicht verbinden kann. Nach dem Abnehmen der Folie wird flüssiges, aushärtbares Harz aufgebracht und das Ganze mit einer weiteren Folie wieder abgedeckt. Nun erfolgt das endgültige Formen und Aushärten.

Man erkennt, dass auch dieses Verfahren kompliziert und aufwendig und dadurch teuer sowie für eine Serienfertigung wenig geeignet ist.

Es liegt infolgedessen die Aufgabe vor, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass damit dreidimensionale Formkörper aus flachem gewebeverstärktem Kunststoff problemlos und, wenn man von physikalisch oder chemisch bedingten Wartezeiten absieht, auch rasch sowie preiswert und vor allen Dingen in ein und derselben Vorrichtung ohne Umsetzen hergestellt werden können, wobei sich dieses Verfahren insbesondere auch für eine automatische Fertigung eignen sollte.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Bei diesem Verfahren gibt es keinen Abfall in Form von während der Fertigung benutzten Hüllen, kein Umsetzen von einer Vorrichtung in eine andere und es ist auch nicht notwendig, während eines Teils der Verfahrensschritte eine Folie abzunehmen und später durch eine andere wieder zu ersetzen. Wenn eine oder zwei Folien - für beidseitige Beschichtung - Verwendung finden, so sollen diese später am Formkörper verbleiben, d. h. Teil desselben bilden. Insofern handelt es sich bei den Folien nicht um ein Hilfsmittel für die Herstellung, sondern bspw. um ein Mittel für die ästhetische Ausgestaltung der Oberfläche des Formkörpers auf zumindest seiner Gebrauchsseite bzw. nach dem Einbau zu sehenden Seite.

Es erfolgt bei diesem Verfahren weder ein Verformen in den freien Raum hinein, was der Genauigkeit des Formkörpers abträglich ist, noch ein Verformen mittels Matrize und Patrize, was infolge der besonderen Verformungsmechanismen gewebeverstärkter Kunststoffe die Gefahr von lokal unterschiedlichen Anpressdrücken beinhaltet.

Die endgültige Formgebung geschieht mit Hilfe eines Differenzdrucks zu beiden Seiten des mechanisch vorgeformten Formkörpers. Die Belastung beim mechanischen Vorformen ist gering, weil das Material für den Formkörper am Randbereich nur niedergehalten, nicht aber gegen Verschieben festgehalten wird. In dem Maße in dem das Material vorgeformt wird, kann das Material vom Rand her gewissermaßen "nachgleiten" so dass es zur gewünschten Scherverformung zwischen den Kett- und Schussfäden der Gewebe kommt und somit unzulässige Belastungen des gewebeverstärkten Kunststoffs vermieden werden. Bei der fluidischen Endverformung kann durch entsprechende Druckaufgabe für ein langsames Andrücken an die Urform des Formwerkzeugs gesorgt werden. Andererseits ermöglicht aber die Druckverformung eine kompliziertere Formgebung als dies mit Matrize und Patrize bei geringem Aufwand möglich ist. Druckverformung bedeutet z. B. die Evakuierung oder Teilevakuierung des auf der einen Seite gelegenen Raums, wobei dann im Raum auf der anderen Seite Atmosphärendruck oder bevorzugterweise ein positiver Druck herrscht. Als Fluid kommt in erster Linie Luft in Frage.

Bevorzugte Varianten dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der Herstellung eines Ausführungsbeispiels.

Die in den Ansprüchen 4 bis 6 erwähnte Lackfolie übernimmt dabei mehrere Aufgaben, nämlich sorgt sie erstens für eine ansprechende Oberfläche auf zumindest einer Seite des Formkörpers und zweitens verhindert sie, weil sie gemäß Anspruch 6 dem höheren Druck ausgesetzt ist, auch das Eindringen von Luft in den glasfaserverstärkten Kunststoff, so dass Porenbildung vermieden wird. Die wesentliche Aufgabe der Folie besteht jedoch darin, durch eine Trennung der mit Druck beaufschlagten, bzw. evakuierten Räume zum Aufbau eines für die Formgebung notwendigen Druckdifferenz beizutragen. Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Hülle, welche ebenfalls der Vermeidung von Luftblasen dient und die nach dem Aushärten nicht mehr benötigt wird, schmückt die Lackfolie das Fertigprodukt und sorgt gleichzeitig auch für eine sehr glatte Oberfläche. Sie wird Bestandteil des Endprodukts.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung (Fig. 1 bis 12) zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bzw. zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers gemäß der vorstehenden Beschreibung.

Ein flacher, tafelartiger, gewebeverstärkter Kunststoff 1 wird im Sinne des Pfeils 2 in geeigneter Weise in die Vorrichtung eingebracht. Sobald der in Fig. 2 gezeigte Zustand erreicht ist, wird eine beim Ausführungsbeispiel zweiteilige Heizung mit einem oberen Heizelement 3 sowie einem unteren Heizelement 4 im Sinne der Pfeile 5 eingebracht, wobei sich dann gemäß Fig. 3 das obere Heizelement 3 oberhalb und das untere Heizelement 5 unterhalb des Kunststoffs 1 befindet. Symbolisch ist in Fig. 3 angedeutet, dass daraufhin die Heizung eingeschaltet wird, um den Kunststoff 1 zu erwärmen und flexibel zu machen.

Sobald er warm genug ist, werden die Heizelemente 3, 4 gemäß Fig. 4 in Pfeilrichtung 6 wieder herausgebracht.

Gemäß Fig. 5 wird nunmehr ein Formtisch 7 mit einem eine Urform für den Formkörper aufweisenden Formwerkzeug 8 im Sinne der Pfeile 9 hochgefahren. Zugleich wird in Gegenrichtung, also im Sinne der Pfeile 10, ein Spannrahmen gegen den Formtisch 7 hin abgesenkt, bis auf dem Randbereich 12 des Kunststoffs 1 aufliegt. Er wird dann allerdings nicht angepresst, sondern hält den Kunststoff lediglich derart nieder, dass zwischen dem Spannrahmen 11 und dem gegenüberliegenden, nach außen weisenden Randbereich 13 des Formwerkzeugs 8 hindurchgleiten kann.

Daraufhin wird ein Formstempel 14 im Sinne des Pfeils 15 gegen den erwärmten und infolgedessen flexiblen Kunststoff 15 hin zugestellt, wobei er allerdings nur auf diesen zentralen Bereich einwirkt. Insgesamt erfolgt aber eine Ausbeulung gegen das Innere des Formwerkzeugs 8 hin.

Sobald eine vorgegebene Ausbeulung des Kunststoffs 1 erreicht ist, die faltenfrei infolge des reibungsbehafteten Hindurchgleitens unter dem Spannrahmen 11 hindurch erzielt wird, stellt man gemäß Fig. 7 eine Druckglocke 16 in Pfeilrichtung 17 zu, bis deren freier Rand außerhalb des Spannrahmens 11 fest auf dem Randbereich 12 des Kunststoffs 1 aufliegt. Gleichzeitig wird dann auch der Anpressdruck des Spannrahmens 11 verstärkt, was durch Zusammendrücken der symbolhaft gezeichneten Federn 17 verdeutlicht wird. Auf diese Weise entstehen luftdichte Hohlräume 18 oberhalb und 19 unterhalb des vorverformten Kunststoffs 1. Der Kunststoff 1 ist nunmehr gleitfrei festgehalten, so dass weitere Verformungen nicht mehr durch Nachrücken des Randbereichs, sondern durch elastische Verformung erfolgen.

Fig. 8 verdeutlicht, dass man diese weitere Verformung bzw. Endverformung mit Hilfe eines Fluids, insbesondere von Druckluft, bewirkt. Hierzu kann man bspw. den unteren Hohlraum 19 evakuieren, was durch den Pfeil 20 versinnbildlicht ist.

Alternativ oder, wie beim Ausführungsbeispiel vorgesehen, zusätzlich wird der obere Hohlraum 18 mit Druckluft beaufschlagt, was der Pfeil 21 verdeutlichen soll. Man erkennt in Fig. 8, dass sich nunmehr der vorgeformte Kunststoff 1 vom Vordehnstempel abhebt und er in die Höhlung 22 des Formwerkzeugs 8 hineingezogen wird (Fig. 5). Bei ausreichendem Druck und genügender Dehnfähigkeit des Kunststoffs legt sich letzterer schließlich gemäß Fig. 9 vollständig an die Innenwandung des Formwerkzeugs 8 an und nimmt dessen Gestalt an. Er muss sich allerdings noch verfestigen. Hierzu bleibt der obere Hohlraum 18 zunächst noch unter Druck bis eine ausreichende Abkühlung des Kunststoffs 1 erreicht ist. Sobald dies geschehen ist öffnet man die Luftzufuhr zu den Hohlräumen 18 und 19, was die Pfeile 23 und 24 versinnbildlichen. Jetzt kann man gemäß Fig. 11 den Formtisch 7 absenken sowie den Spannrahmen 11, den Formstempel 14 und die Druckglocke 16 jeweils wieder in die Ausgangsstellung zurückführen, was die Fig. 11 und 12 sowie die entsprechenden Pfeile in Fig. 11 verdeutlichen. Das Formwerkzeug kann nunmehr geöffnet und der Formkörper 26 gemäß Pfeil 25 entnommen werden.

Auch in der symbolischen Darstellung des Verfahrens wurde nicht gezeigt, dass gemäß dem letzten Kennzeichnungsmerkmal des Anspruchs 1 vor der fluidischen bzw. pneumatischen Verformung des Kunststoffs 1 auf wenigstens eine Seite des letzteren eine Folie aufgelegt wird. Sie übernimmt zweierlei Aufgaben, nämlich einerseits bildet sie beim fertigen Produkt die Sichtseite und zum anderen hat sie zumindest drosselnde Eigenschaften, so dass sich die in den oberen Hohlraum einströmende Druckluft nicht oder möglichst nicht in den Kunststoff hineinflüchten kann und folglich die zur Umformung nötige Druckdifferenz zwischen oberen und unterem Hohlraum erhalten bleibt. Wenn anstatt einer zumindest drosselnden Folie eine luftdichte Folie verwendet wird, so besteht eine Gefahr des Eindringens von Luft oder Luftblasen in den Kunststoff 1 nicht.

An der gegenüberliegenden Unterseite des Kunststoffs 1 ist das Anbringen einer Folie aus technischen Gründen nicht notwendig, sondern allenfalls aus anderen Gründen bspw. um am fertigen Produkt eine bessere Oberfläche auch an der Unterseite bzw. der im Gebrauch nicht sichtbaren Fläche zu erhalten.

Eine besonders schöne Oberfläche des Fertigprodukts erreicht man bspw. bei Verwendung einer Lackfolie. Im Fall der Verwendung lediglich einer einzigen Folie befindet sich diese beim Ausführungsbeispiel selbstverständlich auch an der Oberseite, also gegen den oberen Druckraum oder Hohlraum 18 hin weisend bzw. diesen abgrenzend.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers (26) aus flachem, gewebeverstärktem Kunststoff in einem verschließbaren Formwerkzeug (8), wobei
das gewebeverstärkte Kunststoffteil (1) im Formwerkzeug (8) erwärmt und die Flexibilität des Kunststoffteiles (1) erhöht wird,
das Kunststoffteil (1) nach dem Erwärmen randseitig eingespannt und festgehalten wird,
das flexible und festgehaltene Kunststoffteil (1) durch einen der Urform nach annähernd ausgebildeten Verformstempel mechanisch vorgeformt wird,
beim Vorformen der Randbereich (12) des Kunststoffteiles (1) weitgehend reibungsfrei durch die Einspannstelle gleitet,
die Vorformung des Kunststoffteiles (1) mittels einer etwa gleichbleibenden und der Verformung entgegenwirkenden Zugspannung weitgehend faltenfrei vorgenommen wird,
nach dem Vorformen der Randbereich (12) des vorgeformten Kunststoffteils (1) mittels einer zustellbaren Druckglocke (16) abgedichtet wird,
auf beiden Seiten des randseitig gehaltenen Kunststoffteiles (1) unterschiedliche Drücke angelegt werden,
das vorgeformte Kunststoffteil (1) mittels der unterschiedlichen Drücke gegen das Formwerkzeug (8) bewegt wird,
anschließend der Hohlraum (19) zwischen dem vorgeformten Kunststoffteil (1) und dem Formwerkzeug (8) evakuiert und der auf der anderen Seite des Kunststoffteiles (1) gelegene Hohlraum (18) mittels eines Fluids, insbesondere Druckluft, unter Überdruck gesetzt wird,
zumindest vor der fluidischen Verformung wenigstens eine Seite des Kunststoffteiles (1) mit einer das Fluid zumindest drosselnden Folie belegt wird,
im teilevakuierten Formwerkzeug (8) das vorgeformte Kunststoffteil (1) an das Formwerkzeug angedrückt, der Formkörper (26) endgeformt wird und der endgeformte Formkörper (26) bei anstehender Druckdifferenz abgekühlt wird und wobei
die Verformung insgesamt innerhalb der elastischen Grenzen des Materials vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Folie oder eine der beiden Folien für das die Druckdifferenz bewirkende Medium zumindest weitgehend druckdicht ist.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (1) vor der fluidischen Verformung auf wenigstens einer Oberfläche mit einer Lackfolie versehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackfolie der späteren Sichtseite des Formkörpers (26) zugeordnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der fluidischen Verformung des Kunststoffs (1) die Lackfolie dem höheren Druck ausgesetzt wird.