DE19944164C2 - Herstellung von mehreren Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen in Formnestern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von mehreren Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen, z. B. Organobleche. Hierfür muß zur sinnvollen Nutzung der Kunststoffplatine diese vor der Umformung behandelt werden, siehe Fig. 1.

Kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffhalbzeuge, z. B. Organobleche, können heute wirtschaftlich mittels Doppelbandpreßtechnik hergestellt werden. Diese dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung dünnwandiger, hochbelastbarer Strukturbauteile. Zur Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Formteilen müssen die Halbzeuge zunächst mittels einer Aufheizstation über Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt werden. Die Umformung erfolgt durch Positionierung erwärmter Tafeln zwischen Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse und sofortigem Schließen der möglicherweise temperierten Formwerkzeughälften. Während der Abkühlung auf die Werkzeugtemperatur kommt es zur Verfestigung des Kunststoffs, so daß nach dem Öffnen der Presse das fertig konsolidierte Formteil entnommen werden kann.

Zur Umformung werden die Verstärkungsfasern mittels Gewebescherung, Faserschlupf, Fadenstreckung, Fadendehnung und Laminatabgleiten dreidimensional verformt. Dabei haben die Fadendehnung, -schlupf und -streckung einen sehr geringen Anteil daran. Vornehmlich wird bei Geweben die 3D Umformung vom Gewebescheren beeinflußt [1-3].

Zur Zeit werden nur ein oder zwei Bauteile gleichzeitig aus einer Kunststoffplatine geformt [4-6]. Bei Erhöhung der Anzahl und besonders bei hohen Umformgraden, also komplexen Geometrien, wird die Umformung von der Verstärkungsstruktur ver- oder behindert, siehe Fig. 2. Die Nachführung der nur sehr gering dehnfähigen Fasern muß gewährleistet sein, um ein vollständig ausgeformtes Bauteil zu erhalten. Ist diese Nachführung behindert, kommt es zu Faserausdünnungen oder zum Faserriß und damit zum Ausschuß dieser Bauteile [7].

Werden nun mehrere Bauteile aus einer Kunststoffplatine umgeformt, reißen die Verstärkungsfasern, da sie nicht in der geforderten Länge nachgeführt werden können, siehe Fig. 3. Sobald die Kunststoffplatine an den beiden äußeren Näpfen zwischen Ober- und Unterwerkzeug eingeklemmt wird, be- bzw. verhindert dies die Nachführung der Fasern durch die erhöhte Reibung. Ein weiteres Problem bietet bei Verwendung von Geweben der Gewebeverzug, siehe Fig. 4. In Fig. 4a) ist das Ausgangsblech des 0/90-Gewebes dargestellt. Nach der Umformung eines Napfes sind die Kanten in das Werkzeug eingezogen (4b). Die Ecken werden durch Gewebescherung unter 45° verlängert. Die Kanten dagegen müssen wegen der geringen Faserdehnung in das Werkzeug eingezogen, also nachgeführt werden. Bei der Herstellung von 9 Näpfen aus einer Platine (4c), müßten die Fasern zweier aneinander liegender Flächen einmal in die eine Fläche nachgeführt werden und zum anderen gleichzeitig auf der anderen Seite nachgeführt werden (4d). Da dies nicht gleichzeitig realisierbar ist, wird eine Fertigung von mehreren Bauteilen aus einer Kunststoffplatine unmöglich, was zu geringeren Ausstoßmengen bei der Fertigung und zu Kostensteigerungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist die gleichzeitige Fertigung von mehr als zwei Bauteilen in einem Formnestwerkzeug aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen in einem Prozesszyklus, ohne daß die Umformung von der Verstärkungsstruktur bei Erhöhung der Formzahl oder des Umformgrades ver- oder behindert wird.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Lösung des Problems liegt darin, den Fasern die benötigte Bewegung zu gewähren. Die Fasern die eine Verzerrung des Gewebes und eine Nachführung behindern, müssen durchtrennt werden. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Die Kreuzungspunkte (1) bleiben unverändert, die Kanten (2) zwischen den Kreuzungspunkten dagegen werden durchtrennt. Die Fasern können dort ungehindert nachgeführt und die Bauteile vollständig umgeformt werden. Die Schnitte können mittels Sägen in die Kunststoffplatine eingebracht werden. In der Serie würde sich das Stanzen von Einschnitten anbieten.

Als Ausführungsbeispiel sei hier die Umformung von Sicherheitsschuhkappen genannt. Bei der Herstellung von nur einer Kappe pro Umformzyklus und einer Vielzahl von zu produzierenden Schuhkappen werden evt. zusätzliche Umformstationen benötigt, was einen erhöhten Investmentbedarf darstellt. Bei Verwendung von vorbehandelten Kunststoffplatinen ist es möglich mehrere Sicherheitsschuhkappen auf einmal umzuformen und somit Zeit, Investment und damit Kosten einzusparen.

Die Verstärkungsfasern sowie die Verstärkungsstruktur können bei den Halbzeugen variieren. Ebenso können die Kunststoffplatinen aus Duroplasten oder Thermoplasten bestehen.

Bei der Herstellung von anderen Bauteilen können die Schnitte in der Vorbehandlung auch in beliebiger Anordnung vorliegen, um den geänderten Umformraten oder Geometrien Rechnung zu tragen.

Literatur

[1] Ziegmann, G.: Umformen im Diaphragma-Verfahren. In, Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix. Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (

1997

), S. 143-160.
[2] O'Bradaigh, C. M., Pipes, R. B., Mallon, P. J.: Issues in Diaphram Forming of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites. Polymer Composites. 12 (

1991

) 4, S. 246-256.
[3] Breuer, U. P.: Beitrag zur Umformtechnik gewebeverstärkter Thermoplaste. Fortschrittsberichte VDI-2/433, Düsseldorf: VDI-Verlag

1997

.
[4] Mehn, R., Seidl, F., Peis, R., Frei, P.: Hochbelastbare dünnwandige Fahrzeugstrukturbauteile aus glasfaserverstärkten Thermoplasten. Proceedings 'Materialforschung-Neue Werkstoffe', Würzburg, Deutschland, 2- 4. Nov. 1994, S. 533-571.
[5] Dyckhoff, J., Haldenwanger, H.-G., Reim, H., Schönleber, G.: Lenker aus Faserverbundwerkstoff mit Thermoplastmatrix. Proceedings, Kunststoffe im Automobilbau'98', Mannheim, VDI-Verlag, Düsseldorf (

1998

), S. 155-176
[6] Brüdgam, S., Henkelmann, H.: Anforderungsprofil an Faser-Kunststoff- Verbund-Halbzeuge für Kfz-Leichtbaukomponenten. Proceedings, Kunststoffe im Automobilbau'96', Mannheim, VDI-Verlag, Düsseldorf (

1996

).
[7] Börger, H.: Umformung mit Positiv-/Negativ-Preßwerkzeugen (Match Mold Verfahren). In, Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix. Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (

1997

), S. 132-142.

Claims (7)

1. Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von mehr als zwei Formteilen aus einer kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatine durch Umformung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatine mit Einschnitten versehen wird (siehe Fig. 1a), welche ein Nachführen der Fasern während der Umformung gewähren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den faserverstärkten Kunststoffplatinen um Halbzeuge mit unterschiedlichen Verstärkungsstrukturen, wie, Fasergelege, Fasergewebe, Fasermatten, Fasergestricke, Fasergewirke oder unidirektionale Verstärkungen handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Halbzeugen um vollständig imprägnierte oder auch teilimprägnierte Laminate (sogenannte Prepregs) handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Kunststoffe thermoplastisch und duroplastisch jeglicher Art sein können.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Verstärkungsfasern in den Halbzeugen jeglicher Art sein können, vornehmlich Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- oder Naturfasern

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitte mit unterschiedlichen Trennverfahren, wie Sägen, Schneiden und Stanzen, eingebracht werden können.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitte in beliebiger Anordnung in der Kunststoffplatine eingebracht werden können.