DE3727926A1 - Verfahren zur herstellung von formteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von formteilen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Platten aus faserverstärkten Thermoplasten, sogenannte "organische Bleche", sind bereits bekannt. Meistens sind hiervon sphärisch geformte Bauteile gefragt, welche nicht ohne weiteres herstellbar sind.
Aus der US-PS 40 87 224 ist es bekannt, unverstärkte Halb­ zeuge zusammen mit einer elastischen Folie zu verformen. Die erreichbare Formgenauigkeit ist durch die unterschied­ lich dicke, zwischen Halbzeug und Formmulde liegende, elastische Folie begrenzt.
Aus der DE-PS 32 43 021 ist es bekannt, verstärkte Halb­ zeuge zusammen mit einer Gummidecke zu verformen. Da die Gummidecke nicht zwischen Halbzeug und Formmulde liegt, ist auf einer Seite eine hohe Formgenauigkeit erreichbar. Auf der zweiten Seite verschlechtert die Gummidecke durch ihr Dehnverhalten jedoch die Oberflächengüte. Der Gegen­ stand wird dort rauh.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem aus kurz- oder langfaserverstärkten Thermoplasten Bau­ teile in abrollbaren und nicht abrollbaren Konturen in nahezu absoluter Maßgenauigkeit und in reproduzierbarer Qualität und kosten- und zeitgünstig hergestellt werden können.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildun­ gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Wurden bisher Folien nur zum Abdichten verwendet und waren sie daher sehr elastisch, haben der Verformung also keinen bedeutenden Widerstand entgegengesetzt, so wird mit der Er­ findung ein neuer Weg beschritten. Da die Folie der Verfor­ mung einen grösseren Widerstand entgegensetzt als das Halb­ zeug - eine höhere Förmänderungsfestigkeit hat - bestimmt auch die Folie das Ziehverhalten und die Qualität des Er­ gebnisses und nicht mehr das Halbzeug. Eine rauhe, faltige Oberfläche oder das Herauspressen von Harz aus den Fasern wird vermieden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass damit die Herstellung von Bau- und Formteilen aus kurz- oder lang­ faserverstärkten Thermoplasten mit abrollbaren und insbe­ sondere nicht abrollbaren Konturen unter voller Gewähr­ leistung der Maß- und Toleranzgenauigkeit auf beiden Seiten möglich ist. Gegenüber bekannten Verfahren ist be­ sonders vorteilhaft, dass damit eine gleichmäßige Faser­ verteilung ohne Schädigung der Fasern einhergeht und sonst notwendige Nacharbeiten, wie Oberflächenbehandlung und Nachverdichtung entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Verwendung von billigen Materialien, wie Alu­ minium, das nicht superplastisch sein muß, für die Folie. Die Stabilität (Festigkeit oder plastische Verformbarkeit) der Folie kann außer über die Wahl des Materials auch über die Wahl der Materialstärke oder über die Formgebung (Sicken, Versteifungen, Verstrebungen) variiert werden.
Ein Vorteil besteht darin, dass durch Einbringen der form­ stabileren Trennfolie zwischen dem zu behandelnde Halbzeug und der Abdeckung Faltenbildungen an den Konturflächen völlig vermieden werden, was aus einem gleichmäßigen Dehnungsverhalten der Folie während des Umformvorganges resultiert. Ferner wird durch Verwendung eines pneumatischen oder hydrostatischen Druckmittels ein gleichmäßiger Druck­ verlauf innerhalb des verformten Halbzeugs und eine gleich­ mäßige und vom Winkel der Kontur unabhängige Verdichtung im Halbzeug erreicht. Außerdem besteht zwischen dem Halbzeug und dem Druckmedium eine geringe Reibung. Schließlich sind bei mehrteiligen Formmulden Hinterschnei­ dungen möglich.
Die Bau- und Formteile und deren Oberflächen sind damit in guter reproduzierbarer Qualität herstellbar, da das Thermo­ plast-Halbzeug nach seiner Umformung aufgrund des gleich­ mässigen Fließverhaltens der Fasern direkt an der Werkzeug­ form anliegt und dadurch deren Kontur genau wiedergibt. Zugleich ist damit eine Zeit- und Kosteneinsparung verbunden und es kann mit einfachen Mitteln weitgehend und ohne grös­ seren Aufwand vollständig automatisiert werden. Zur Bedie­ nung genügt selbst ohne Automatisierung eine Mannkraft. Aufwendige Drappierarbeiten entfallen, da das Halbzeug schon als Platte verfügbar ist.
Das Halbzeug liegt vor in Form von ebenen Platten aus uni- oder multidirektional mit Kurz- oder Langfasern verstärkter Thermoplastmatrix (sogenanntes organisches Blech). Verwend­ bar sind alle zur Zeit bekannten Fasertypen, insbesondere E-Glas, S-Glas, Aramid, Whiskers und C-Fasern. Als Träger­ material sind alle thermoplastischen Matrices verwendbar wie Polyethersulfon, Polyehterimid, Polyetheretherketon, Polyamid, Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxycopolymere oder thermoplastische Polyimide.
Nach Einlegen des Thermoplast-Halbzeugs und einer darüber­ gelegten Trennfolie in eine Werkzeugform mit Formmulde, wird das Werkzeug zusammen mit dem Thermoplast-Halbzeug und der Trennfolie durch eine Heizung mit einer Temperatur beaufschlagt, bei der die dynamische Viskosität des Halb­ zeugs bevorzugt zwischen 4000 und 1500 Pa×sec liegt. Eine Beheizung des Formwerkzeuges ist nicht zwingend not­ wendig. Nach Erreichen der Viskositätswerte wird das Halb­ zeug mit einem von einem gasförmigen oder flüssigen Druck­ medium erzeugten Druck, bevorzugt zwischen 2 und 20 bar, beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Temperatur und Druck erfolgt dabei bevorzugt so lange, bis das weiche Thermo­ plast-Halbzeug und die Trennfolie sich an den Konturen der Werkzeugform angelegt haben.
Bei der Umformung dient dabei die Trennfolie aufgrund ihrer höheren Festigkeit als Überträger gleichmäßiger Dehnungs­ eigenschaften und verhindert unkontrollierte Ausdehnungen des Thermoplasthalbzeugs. Gleichzeitig fungiert die Trenn­ folie als Trennmembran, die ein Durchschlagen des Druckes durch das Thermoplast-Halbzeug verhindert. Anschließend wird zunächst die Temperatur bis ausreichend unter den Glaspunkt des Thermoplast-Halbzeugs abgebaut. Danach wird nach Abbau der Druckbeaufschlagung das Werkzeug geöffnet und das fertige Bau- oder Formteil entnommen.
Die Trennfolie besteht am günstigstens aus einer Aluminium­ legierung. Erlaubt die Umformtemperatur kein gutes Fließ­ verhalten der Aluminiumfolie oder überschreitet der Umform­ grad ihre maximale Bruchdehnung, so kann die Trennfolie aus Gummi oder Kunststoff bestehen. Soll das Halbzeug eine mitt­ lere dynamische Viskosität von 1500 bis 200 Pa×sec oder darunter erreichen, so wird die Temperatur erhöht, so dass sich die Matrix des Halbzeugs gleichmäßiger verteilen kann.
Weisen die Formteile eine ungenügende Verdichtung auf, so können sie durch Erhöhen des hydrostatischen Druckes nach erfolgter Einformung in das Gesenk aber vor und während Abbau der Temperatur besser verdichtet werden. Um zu ver­ meiden, dass sich in Fällen, bei denen sich das Halbzeug nach der Umformung nicht oder nur schwer aus dem Formwerk­ zeug oder von der Trennfolie lösen läßt, sind Trennmittel­ schichten z.B. aus Teflon oder einem haftvermindernden Spray auf den kontaktierten Oberflächen aufzubringen. Ist im Halbzeug unerwünschtes Gas enthalten oder eine Gasauf­ nahme möglich, so kann das Gas durch Anlegen von Vakuum am Halbzeug abgezogen werden.
Soll auf dem Halbzeug an seiner Oberfläche eine sogenannte "Speckschicht" aufgebracht werden, so sind zwischen den Oberflächen von Halbzeug und Werkzeugform Zusatzmatrix­ folien aufzubringen. Umformbar sind auch Hybridhalbzeuge, das heißt Platten, die sich aus Lagen unterschiedlicher verstärkter oder unverstärkter Thermoplatmatrices, Metall­ schichten oder syntaktischen Schäumen zusammensetzen (z.B. Sandwichplatten). Die Temperaturbeaufschlagung des oder der Halbzeuge erfolgt je nach Erfordernis durch am Formwerkzeug angeordnete Heizvorrichtungen oder z.B. durch Infrarot-, Induktiv-, Kapazitiv- oder Strahlungsheizung; eventuell auch durch eine vom Druckmedium bewirkte Wärmeübergangs­ heizung.
Um den Eigenschaften oder den physikalischen Materialkenn­ werten von verschiedenen Thermoplast-Halbzeugen zu ent­ sprechen wird bevorzugt eine Abkühlrate von größer als 10°C/min eingehalten (z.B. für das Haltzeug PEEK). Zur Erzeugung hoher Umformgrade kann das Halbzeug in dem Form­ werkzeug aufgeblasen werden.
Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch eine Skizze erläutert.
Die Figur zeigt die prinzipielle Anordnung eines Formwerk­ zeugs 1, bestehend aus einer beheizbaren (siehe Pfeile) Formmulde 2 mit Abdeckung 3 und einem dazwischen eingeleg­ ten faserverstärkten Thermoplast als Halbzeug 4, welches entsprechend einer in der Formmulde 2 vorgesehenen Form­ kontur 5 verformt werden soll.
Auf der Oberseite des Halbzeugs 4 ist eine erfindungsgemäße Trennfolie 6 angeordnet, die auf den Dichtlippen 11 auf­ liegt. Die Formmulde 2 weist einen von der Kontur 5 nach außen führenden Kanal 8 auf, durch welchen ein durch die Verformung des Halbzeugs 4 verdrängtes Volumen abgeführt oder Vakuum gezogen werden kann (siehe Pfeil).
Die Abdeckung 3 weist einen Druckraum 9 auf, der mit einem nach außen führenden Kanal 7 verbunden ist und durch den ein gasförmiges oder flüssiges Druckmedium zugeführt wird (siehe Pfeil).
Die Formmulde 2 mit Halbzeug 4, Trennfolie 6 und Abdeckung 3 werden an ihren Rändern durch Verschraubungen 10 zusam­ mengepreßt. Die Verschraubung 10 gewährleistet eine Ver­ pressung der Dichtlippen 11 mit der Trennfolie 6, so dass der im Druckraum 9 aufgebaute Druck und/oder das zwischen Trennfolie 6 und Formkontur 5 erzeugte Vakuum erhalten bleibt. Anstelle der Verschraubung 10 ist auch der Einsatz einer Presse möglich.
Nach erfolgter Umformung und Abkühlung wird das Formwerk­ zeug 1 geöffnet und das fertig geformte Bau- oder Formteil daraus entnommen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus ebenen und/oder vorgeformten Platten aus unidirektional oder multidirektional mit Kurzfasern oder Langfasern ver­ stärkten Thermoplasten als Halbzeug mittels Heißpressen unter Verwendung einer Trennfolie und einer Formmulde mit Abdeckung, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trennfolie (6) einen grös­ seren Verformungswiderstand hat als das Halbzeug (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (6) eine Aluminiumfolie ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (6) aus Kunststoff oder Gummi besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Trennfolie (6) einen besonderen Dicken­ verlauf aufweist, z.B. durch chemisches Fräsen bei Metallen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Konturformung die Temperatur des Halbzeugs (4) so weit erhöht wird, bis eine dynamische Viskosität von 1500 bis 200 Pa×sec erreicht ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Konturformung der Druck auf die Trennfolie (6) und das Halbzeug (4) er­ höht wird.
7. Verfahren nach einem de Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Formmulde (2), Halbzeug (4) und Trennfolie (6) Trennmittelschichten angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittelschichten aus Teflon oder einem haftvermindernden Stoff bestehen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmulde (2) evakuierbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen von "Speckschich­ ten" auf das Halbzeug (4) Zusatzmatrixfolien verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (4) aus Lagen ver­ stärkter oder unverstärkter unterschiedlicher Thermo­ plastmatrices, Metallschichten oder syntaktischen Schäumen besteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (4) und die Trenn­ folie (6) durch eine Infrarot-, Induktiv-, Kapazitiv-, Strahlungs- oder eine vom Druckmedium oder Formwerk­ zeug (1) erzeugte Wärmeübergangsheizung temperatur­ beaufschlagt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung hoher Umformgrade das Halbzeug (4) und/oder die Trennfolie (6) in der Formmulde (2) aufgeblasen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate für das Halbzeug (4) grösser als 10°C/min ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (6) lokal unter­ schiedlich temperiert wird.
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