DE19922799B4 - Process for producing a plastic molding - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils, insbesondere einer Bodenschale eines Kraftfahrzeuges, mit den Schritten: – Erstellen eines Vorformlings (2) aus Verstärkungsmaterial (12); – Einlegen des Vorformlings (2) in ein Werkzeug; – Schließen des Werkzeuges; – Einspritzen eines Matrixmaterials; – Aushärten und Entnehmen des Formteils, wobei das Verstärkungsmaterial (12) zur Ausbildung des Vorformlings (2) von einem Fasergelege gebildet wird und mittels eines Spannrahmens (20) vorgespannt und in einem Drapierwerkzeug (6) unter Beibehaltung der Spannkraft vorgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkraft entlang des Randbereichs des Drapierwerkzeugs (6) abschnittsweise eingestellt wird, um durch die unterschiedlichen Spannkräfte über den Umfang des Formteils das Einziehen der Faserlage in das Drapierwerkzeug zu steuern, so dass das Verwerfen oder Versetzen der Lage beim Vorformen verhindert wird.Method for producing a plastic molded part, in particular a bottom shell of a motor vehicle, with the following steps: - making a preform (2) from reinforcement material (12); - Inserting the preform (2) into a tool; - closing the tool; - Injecting a matrix material; - Curing and removal of the molded part, the reinforcing material (12) for forming the preform (2) being formed by a fiber structure and being prestressed by means of a clamping frame (20) and preformed in a draping tool (6) while maintaining the clamping force, characterized in that, that the tensioning force along the edge area of the draping tool (6) is set in sections in order to control the pulling of the fiber layer into the draping tool through the different tensioning forces over the circumference of the molding, so that the warping or displacement of the layer during preforming is prevented.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing a plastic molding according to the preamble of patent claim 1 and an apparatus for carrying out the method.
Zur Herstellung flächiger Kunststoffformteile mit komplexer dreidimensionaler Erstreckung im großindustriellen Maßstab bietet sich beispielsweise das Harzinjektionsverfahren (Reaction Transfer Molding, RTM-Verfahren) an.For the production of flat plastic molded parts with complex three-dimensional extent on a large industrial scale, for example, the resin injection process (Reaction Transfer Molding, RTM method) offers.
Dieses Verfahren ist bereits seit den fünfziger Jahren bekannt. Es erlaubt eine wirtschaftliche Herstellung von Faserverbundteilen, wobei durch die Auswahl, Art und Anordnung von Verstärkungsmaterialien sowie durch die Wahl des Matrixsystems Formteile herstellbar sind, die in idealer Weise an die auftretenden Beanspruchungen angepaßt sind. Nach dem RTM-Verfahren lassen sich Verbundwerkstoffe mit einem hohen Fasergehalt herstellen. Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass die zur Verstärkung dienenden Fasermaterialien, Kerne, Vliese zunächst in das Werkzeug eingelegt und anschließend das Matrixmaterial eingespritzt wird. D. h., der wesentliche Unterschied zum Pressen- und Spritzgiessen besteht darin, dass das Matrixmaterial und das Verstärkungs-/Kernmaterial erst im geschlossenen RTM-Werkzeug miteinander in Kontakt gelangen.This method has been known since the fifties. It allows an economical production of fiber composite parts, which can be produced by the selection, type and arrangement of reinforcing materials and by the choice of the matrix system moldings, which are ideally adapted to the stresses occurring. According to the RTM process, composites with a high fiber content can be produced. The peculiarity of the method is that the fibrous materials, cores, nonwovens serving for reinforcement are first placed in the mold and then the matrix material is injected. In other words, the essential difference to press molding and injection molding is that the matrix material and the reinforcing / core material only come into contact with one another in the closed RTM tool.
Dieses Verfahren ist durchaus zur Herstellung einfacherer Abdeckungen in der Großserienproduktion geeignet. Es zeigte sich jedoch, dass diesem Verfahren bei der Herstel- lung von großflächigen Kunststoffteilen mit komplexer Formteilgeometrie im industriellen Maßstab Grenzen gesetzt sind, da die Formteile weder hinsichtlich der Oberflächenqualität noch hinsichtlich der Maßhaltigkeit den Anforderungen entsprechen.This method is quite suitable for the production of simpler covers in mass production. However, it has been found that this method is limited on an industrial scale in the production of large-area plastic parts with complex part geometry, since the molded parts do not meet the requirements with regard to surface quality or dimensional accuracy.
Aus der
Ferner beschreibt die
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils, insbesondere einer Bodenschale eines Kraftfahrzeuges und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit denen auch komplexe Formteilgeometrien mit verbesserter Reproduzierbarkeit herstellbar sind.In contrast, the invention has for its object to provide a method for producing a plastic molding, in particular a bottom shell of a motor vehicle and a device suitable for carrying out this method, with which even complex molding geometries can be produced with improved reproducibility.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 11 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es des Weiteren, eine Bodengruppe eines Kraftfahrzeugs aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen.This object is achieved with respect to the method by the combination of features of claim 1 and with respect to the device by the features of claim 11. The inventive method also makes it possible to produce a floor assembly of a motor vehicle made of fiber-reinforced plastic.
Erfindungsgemäß wird der Vorformling in einem Drapierwerkzeug hergestellt, wobei die Relativposition der Lage mit Bezug zum Drapierwerkzeug während der Vorformung durch einen Spannrahmen bestimmt ist.According to the invention, the preform is produced in a draping tool, the relative position of the layer with respect to the draping tool being determined during preforming by a tenter.
Auf diese Weise werden die Lagen bei sich absenkendem Positivstempel des Drapierwerkzeuges über den Spannrahmen geführt, so daß ein Verwerfen oder ein Verschieben nahezu ausgeschlossen ist.In this way, the layers are guided at lowering positive stamp of Drapierwerkzeuges on the clamping frame, so that discarding or shifting is almost impossible.
Dieses Verfahren ermöglicht es, erstmals auch Formteile mit äußerst komplexer Geometrie, wie beispielsweise einer Bodenschale eine Kraftfahrzeuges aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen, wobei das Verstärkungsmaterial durchgängig, d. h. ohne Einschnitte und nicht durch Zusammenfügen von Teilbereichen verarbeitet wird, so dass die Fa- serstruktur durchgängig erhalten bleibt. Das Gewicht einer Bodengruppe eines Kraftfahrzeuges läßt sich durch Verwendung dieser mit Verstärkungen versehenen Bodenschale gegenüber herkömmlichen Lösungen, bei denen die Fahrzeug-Bodengruppe im Wesentlichen aus Stahlblech besteht bei zumindest gleicher Festigkeit wesentlich reduzieren.This method makes it possible for the first time to produce molded parts with extremely complex geometry, such as a bottom shell of a motor vehicle made of fiber-reinforced plastic, wherein the reinforcing material is continuous, d. H. is processed without incisions and not by joining partial areas, so that the fiber structure is preserved throughout. The weight of an underbody of a motor vehicle can be significantly reduced by using this provided with reinforcements bottom shell over conventional solutions in which the vehicle floor assembly consists essentially of sheet steel at least the same strength.
Ein weiterer Vorteil einer derart hergestellten Bodenschale liegt in der Vereinfachung des Produktionsablaufes, da die gesamte Bodenschale einstückig in einem Arbeitsgang herstellbar ist.Another advantage of a base shell produced in this way is the simplification of the production process, since the entire base shell can be produced in one piece in one operation.
Um das Einziehen der Faserlage in das Drapierwerkzeug steuern zu können, so dass das Verwerfen oder Versetzen der Lage beim Vorformen verhindert wird, ist erfindungsgemäß die vom Spannrahmen aufzubringende Spannkraft abschnittsweise unterschiedlich einstellbar.In order to be able to control the drawing of the fiber layer into the draping tool so that the warping or displacement of the layer during preforming is prevented, according to the invention the clamping force to be applied by the clamping frame is differently adjustable in sections.
Dabei wird es bevorzugt, wenn der Vorformling aus mehreren Lagen Fasermaterial hergestellt ist, wobei die Lagen vorzugsweise über einen Binder miteinander verbunden werden.It is preferred if the preform is made of several layers of fiber material, wherein the layers are preferably connected to one another via a binder.
Bei besonders komplexen Formteilen, beispielsweise der vorgenannten Bodenschale ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Lagen nacheinander im Drapierwerkzeug vorgeformt werden, so dass nach dem Einlegen und Vorformen der letzten Lage der Vorformling hergestellt ist. Dabei kann ein geeigneter Binder verwendet werden, um die Lagen miteinander zu verbinden.In the case of particularly complex shaped parts, for example the aforementioned bottom shell, it is advantageous if the individual layers are preformed one after the other in the draping tool, so that after the insertion and preforming of the last layer the preform is made. In this case, a suitable binder can be used to connect the layers together.
Zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit des Kunststoffformteils werden anstelle von Matten vorzugsweise Fasergelege mit unterschiedlicher Orientierung verwendet.To increase the strength and rigidity of the plastic molded part, preference is given to using fiber webs with different orientations instead of mats.
Um das Eingleiten der Lagen in die Negativform des Drapierwerkzeuges und das Anlegen an Krümmungen etc. zu vereinfachen, sollten die Gelege einer Lage derart fixiert sein, dass die Fasern oder Faserbündel (Rovings) sich noch in gewissem Maße unabhängig voneinander bewegen können.In order to facilitate the introduction of the layers into the negative form of the draping tool and the application of curvatures, etc., the layers of a layer should be fixed such that the fibers or fiber bundles (rovings) can still move independently of one another to some extent.
Bei dem mehrlagigen Aufbau kann es bei komplexen Geometrien vorkommen, dass die zuvor vorgeformte Lage beim Vorformen der nächsten Lage verschoben wird. Um dies zu verhindern, können die bereits vorgeformten Lagen über geeignete Mittel in dem Drapierwerkzeug fixiert werden. Diese Fixierung kann beispielsweise über den Binder erfolgen, mit dem die Lagen getränkt sind und der vor dem Einlegen in das Drapierwerkzeug aufgeschmolzen wird. Das Aushärten des Binders kann dann durch Abkühlen des Drapierwerkzeuges erfolgen. Alternativ dazu kann der Binder auch nach dem Vorformen auf die vorgeformte Lage aufgebracht und denn aufgeschmolzen werden.In the case of the multi-layer structure, in the case of complex geometries, the previously preformed layer may be displaced during preforming of the next layer. In order to prevent this, the already preformed layers can be fixed in the draping tool via suitable means. This fixation can be done for example via the binder, with which the layers are soaked and is melted before inserting into the draping tool. The curing of the binder can then be done by cooling the draping tool. Alternatively, the binder can also be applied to the preformed layer after preforming and then melted.
Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, dass es durch die Verwendung von durchgängigen Gelegen anstelle von zusammengefügten Matten erstmals möglich ist, komplexe Formteile mit der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit auszubilden. D. h., die Fertigung einer Bodengruppe eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung von Gelegen anstelle von Matten als Verstärkungsmaterial dürfte für sich genommen bereits den Anforderungen an die Patentfähigkeit genügen, da diese im Stand der Technik ohne Vorbild ist.One aspect of the invention is that for the first time it is possible to form complex molded parts with the required strength and rigidity by using continuous layers instead of assembled mats. That is to say, the manufacture of an underbody of a motor vehicle using mats instead of mats as the reinforcing material, in itself, should already meet the requirements of patentability, since it is unprecedented in the prior art.
Erfindungsgemäß wird zur Durchführung des Verfahrens ein Spannrahmen verwendet, über den die vorzuformende Lage aus Fasermaterial gegen eine Hälfte des Werkzeuges vorgespannt wird, so dass beim Schließen des Drapierwerkzeuges die Faserlage gegen die Vorspannkraft des Spannrahmens nach innen, in die Kavität hineingezogen oder um den Stempel herumgezogen wird. Um eine vorbestimmte Spannkraft zu gewährleisten, sollte der Spannrahmen zumindest abschnittsweise an die Konturen des Drapierwerkzeuges angepaßt sein, so dass eine flächige Auflage des Spannrahmens auf der Faserlage gewährleistet ist. Wesentlich ist hierbei, dass die vom Spannrahmen aufzubringende Spannkraft abschnittsweise unterschiedlich einstellbar ist. Durch diese unterschiedlichen Spannkräfte über den Umfang des Formteils kann das Einziehen der Faserlage in das Drapierwerkzeug gesteuert werden, so dass das Verwerfen oder Versetzen der Lage beim Vorformen verhindert wird.According to the invention, a clamping frame is used to carry out the method, over which the pre-formed layer of fiber material is biased against one half of the tool, so that when closing the Drapierwerkzeuges the fiber layer against the biasing force of the clamping frame inwardly drawn into the cavity or pulled around the punch becomes. In order to ensure a predetermined clamping force, the clamping frame should be at least partially adapted to the contours of the Drapierwerkzeuges, so that a flat support of the clamping frame is ensured on the fiber layer. It is essential here that the clamping force to be applied by the clamping frame is partially adjustable in sections. These different clamping forces over the circumference of the molding, the retraction of the fiber layer can be controlled in the Drapierwerkzeug, so that the discarding or displacement of the layer is prevented during preforming.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are the subject of the other dependent claims.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following a preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. Show it:
Die in den folgenden Figuren beschriebenen Formteile werden nach dem RTM-Verfahren hergestellt. Wie eingangs erwähnt, werden dabei das Matrixmaterial und das Verstärkungsmaterial erst in der Kavität eines RTM-Werkzeuges zusammengebracht. Das Matrixmaterial besteht aus zumindest zwei Komponenten, die über Dosiereinrichtungen aus Speichern abgezogen und in einem Mischkopf homogenisiert werden. Die vermischten Matrixkomponenten werden dann über eine Düseneinrichtung, entweder quer zur Trennebene oder parallel zur Trennebene eingespritzt. Im erstgenannten Fall sind eine oder mehrere Düseneinrichtungen senkrecht zur Trennebene in einer Werkzeugplatte des RTM-Werkzeuges vorgesehen, während im letztgenannten Fall, d. h. bei der seitlichen Einspritzung, lediglich eine Düseneinrichtung seitlich am Seitenumfang des Werkzeuges angeordnet ist. Das eingespritzte Matrixmaterial benetzt das Verstärkungsmaterial, wobei der Verbund aufgrund einer Heizung des RTM-Werkzeuges vergleichsweise schnell aushärtet und das fertige Formteil entnommen werden kann.The moldings described in the following figures are produced by the RTM process. As mentioned above, the matrix material and the reinforcing material are first brought together in the cavity of an RTM tool. The matrix material consists of at least two components which are withdrawn from storage via metering devices and homogenized in a mixing head. The mixed matrix components are then injected via a nozzle device, either transversely to the parting plane or parallel to the parting plane. In the former case, one or more nozzle means are provided perpendicular to the parting plane in a tool plate of the RTM tool, while in the latter case, d. H. in the lateral injection, only a nozzle device is arranged laterally on the side circumference of the tool. The injected matrix material wets the reinforcing material, the composite cures relatively quickly due to heating of the RTM tool and the finished molded part can be removed.
Erfindungsgemäß wird das Verstärkungsmaterial nicht direkt in das RTM-Werkzeug eingelegt sondern zunächst in einem gesonderten Verfahrensschritt vorgeformt.According to the invention, the reinforcing material is not inserted directly into the RTM tool but first preformed in a separate process step.
Die
Die Vorrichtung
Das Verstärkungsmaterial
Dem Drapierwerkzeug
Der Spannrahmen
Der Spannrahmen
Als Verstärkungsmaterial
Die Verwendung von Gelegen ermöglicht es, das Formteil mit der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit in Leichtbauweise auszuführen.The use of layers makes it possible to carry out the molding with the required strength and rigidity in lightweight construction.
Gelege sind Flächengebilde, bei denen beispielsweise in einer Richtung orientierte Fasern über Nähfäden mit einem Trägermaterial verbunden sind. Derartige Gelege können beispielsweise in 0°-, +45°-, –45°-Orientierung hergestellt werden. Das Gelege kann auch spinnennetzartig verbunden werden, wobei die Verbindungsstruktur beim Erwärmen aufschmilzt und die Fasern verbindet.Layers are sheets in which, for example, unidirectional fibers are connected by sewing threads to a substrate. Such scrims can be produced, for example, in 0 °, + 45 °, -45 ° orientation. The scrim can also be connected in a spider-web fashion, whereby the bonding structure melts on heating and bonds the fibers.
Erfindungsgemäß besteht der Vorformling aus mehreren unidirektionalen Lagen oder Schichten, d. h. aus Schichten, bei denen die Fasern jeweils nur in einer Richtung liegen. Insbesondere bei komplexen Geometrien und hohen Flächengewichten wird es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die einzelnen Lagen nacheinander in die Vorrichtung eingebracht, vorgeformt und gemeinsam zum Vorformling
Vorzugsweise wird der Vorformschritt für jede einzelne Lage extra durchgeführt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Lagen in der vorbestimmten Orientierung zueinander im Vorformling
Damit die zuvor ausgeformte Lage nicht beim Ausformen der darauffolgenden Lage verschoben wird, sind die einzelnen Lagen des Verstärkungsmaterials (
Nachdem diese Lage
Wie eingangs erwähnt, ist die Auflagefläche des Auflagerahmens
Wie in
Um eine flächige Anlage zu gewährleisten, wird dieser Sandwichaufbau bei der Herstellung direkt auf der Stirnfläche
Um geringfügige Fehler auszugleichen und den Reibungskoeffizient zwischen dem Verstärkungsmaterial
Die Gewindestange
Wie insbesondere aus
Nach dem Absenken des Spannrahmens
Unter Beibehaltung der Vorspannung wird dann die Positivform
Durch den eintauchenden Stempel
In der Negativform
Nach diesem Vorformen einer Lage werden die Positivform
Selbstverständlich ist die Erfindung keinesfalls auf die Verwendung von thermoplastischen Binde-/Fixiermitteln beschränkt, sondern es könnte auch ein Klebematerial oder ein chemisch reagierendes Mittel eingesetzt werden, um die Lagen
Als besonders geeignete Alternative zu thermoplastischen Bindern hat sich aufschmelzbares Epoxidpulver herausgestellt, Epoxidpulver zeichnet sich durch eine schnelle Aushärtung aus, so dass die Zykluszeiten kurz sind. Bei dieser Verfahrensvariante wird die zu verformende Lage
Bei einem Verstärkungsmaterialaufbau mit sechs Lagen wiederholt sich der vorbeschriebene Vorgang praktisch sechs Mal, bis der endgültige Vorformling
Wesentlich bei dem vorbeschriebenen Vorformvorgang ist, dass der Spannrahmen
Um die Reproduzierbarkeit des Vorformlings
Bei großflächigen Formteilen müssen erhebliche Schließkräfte aufgebracht werden, um den vorbeschriebenen Vorformvorgang durchführen zu können. Es kann daher erforderlich sein, dem Drapierwerkzeug
Als Material für die Fasern können beispielsweise Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern oder Mischlagen derartiger Komponenten verwendet werden.As the material for the fibers, for example, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or mixed layers of such components can be used.
Der auf diese Weise hergestellte Vorformling
Durch das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren gelang es erstmals eine derartige Bodenschale
Diese völlige Neuentwicklung einer Bodenschale zeichnet sich durch äußerst geringes Gewicht bei exzellenter Festigkeit aus, so dass sämtliche Festigkeitsanforderungen erfüllbar sind. Bei der in
Durch das erfindungsgemäße verfahren lässt sich die Bodenschale mit der erforderlichen Bauteilqualität (hohe Reproduzierbarkeit) bei geringen Kosten und mit minimalen Taktzeiten herstellen.By means of the method according to the invention, the base shell with the required component quality (high reproducibility) can be produced at low cost and with minimal cycle times.
Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils nach dem Harzinjektionsverfahren, bei dem in einem Drapierwerkzeug ein Vorformling erstellt wird. Dieses Drapierwerkzeug weist einen Spannrahmen auf, über den das den Vorformling bildende Fasermaterial vorgespannt wird, so dass ein verwerfungsfreies Einziehen des Fasermaterials in die Kavität des Drapierwerkzeuges möglich ist. Als Besonderheit ist hier die Realisierung einer hochkomplexen Geometrie unter Verwendung von Gelegen zu sehen, was bislang nur mit Matten möglich war.Disclosed is a method for producing a plastic molded article according to the resin injection method, in which a preform is made in a draping tool. This draping tool has a clamping frame, via which the fiber material forming the preform is prestressed, so that a distortion-free drawing of the fiber material into the cavity of the draping tool is possible. As a special feature here is the realization of a highly complex geometry using opportunities to see what was previously possible only with mats.
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