DE3815064A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines bauteils aus thermoplastischem kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem Kunststoff, welches Be­ anspruchungsbereiche und Zonen reduzierter Beanspruchung und insbesondere in den Beanspruchungsbereichen eine Spannungsver­ teilung mit einer Vorzugsrichtung der Zugspannungen aufweist, wobei thermoplastifizierter Kunststoff mit Hilfe einer dem Bauteil entsprechenden Form geformt wird. Die Erfindung be­ zieht sich fernerhin auf eine Vorrichtung, welche für die Durchführung eines solchen Verfahrens besonders geeignet ist. - Bei dem Bauteil kann es sich um ein Endprodukt oder um ein Vorprodukt handeln, welches weitergeformt wird. Die Begriffe Beanspruchungsbereiche und Spannungsverteilung beziehen sich auf die Beanspruchungen, die das Bauteil bei bestimmungsge­ mäßer Verwendung aufzunehmen hat.

Im Rahmen der bekannten Maßnahmen, von denen die Erfindung ausgeht, erfolgt die Formgebung des Bauteils durch Eingießen oder Aufgießen des entsprechend thermoplastifizierten Kunst­ stoffes in eine Form bzw. auf eine Form. Der Ausdruck Form umfaßt dabei auch Platten. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen kann auf die Spannungsverteilung in dem Bauteil allenfalls durch besondere, das Flächenträgheitsmoment erhöhende Form­ gebung oder durch besondere Wanddicken Rücksicht genommen werden. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Herstellung solcher Bauteile im Wege des Vakuumtiefziehens oder des Spritzgießens. Allerdings ist es beim Arbeiten mit Gießharz bekannt, in die Form bzw. auf die Form zunächst Bewehrungs­ fasern einzubringen bzw. aufzubringen und darauf den Gießharz aufzugießen, was einen zusätzlichen, aufwendigen Arbeitsgang darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile des be­ schriebenen Aufbaus auf einfache Weise unter Verwendung von bekannten Strängen aus Fremdfasern in einer thermoplastischen Matrix und/oder aus eigenverstärkten thermoplastischen Poly­ merwerkstoffen herzustellen, und zwar so, daß das fertige Bau­ teil nach Maßgabe der Spannungsverteilung unterschiedliche Zugfestigkeit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß zunächst die Beanspruchungsbereiche des Bauteils ermittelt werden, daß unter Berücksichtigung der Beanspruchungsbereiche sowie der Zonen reduzierter Beanspruchung ein Legeplan für den Aufbau des Bauteils aus einem Strang bzw. aus mehreren Abschnitten eines solchen Stranges hergestellt wird, daß zum Aufbau des Bauteils ein Strang aus Fremdfasern in einer thermoplastischen Matrix und/oder aus eigenverstärkten thermoplastischen Poly­ merwerkstoffen verwendet wird, der in Strangrichtung erhöhte Werte der Zugfestigkeit aufweist, daß dieser Strang bzw. die Abschnitte dieses Stranges nach Maßgabe des Legeplans zu dem Bauteil zusammengelegt werden und daß die Stränge bzw. Strang­ bereiche stoffschlüssig vereinigt werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung werden die Stränge bzw. Strang­ bereiche beim Zusammenlegen oder danach unter Anwendung von Druck und Wärme stoffschlüssig vereinigt. Die Beanspruchungs­ bereiche des Bauteils lassen sich mit den Hilfsmitteln der modernen, computergestützten technischen Mechanik, z. B. unter Verwendung der Methode der finiten Elemente, unschwer und sehr genau ermitteln. Wird das erfindungsgemäße Verfahren so prak­ tiziert, daß es sich bei dem hergestellten Bauteil von vorn­ herein um das fertige, für den Einsatz bestimmte Bauteil han­ delt, so wird man dafür sorgen, daß die Stränge bzw. Strang­ bereiche miteinander vollständig stoffschlüssig vereinigt wer­ den, so daß sie gleichsam eine geschlossene Platte oder eine geschlossene Schale bilden. Handelt es sich bei dem Bauteil um ein Vorprodukt, so ist die stoffschlüssige Vereinigung nur bereichsweise oder punktweise erforderlich, weil die endgül­ tige Formgebung im Zuge der Weiterverarbeitung erfolgt, und zwar unter Thermoplastifizierung zu beliebigen geometrischen Formen, beispielsweise zu geschlossenen Platten, Schalen im statischen Sinne u. dgl. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens kann mit Strängen gearbeitet werden, deren Durchmesser im Millimeterbereich liegt, man kann jedoch, je nach dem her­ zustellenden Bauteil, auch mit Strängen arbeiten, deren Durch­ messer im Zentimeterbereich liegt. Je nach den eingesetzten Werkstoffen kann auch kalt gepreßt oder geformt werden.

Wie bereits erwähnt, kann das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Bauteil unter Verwendung einer entsprechenden Legeform gleich als Fertigbauteil, beispielsweise als einfach gekrümmtes oder doppelt gekrümmtes Bauteil, hergestellt wer­ den. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird das Bauteil als im wesentlichen ebenes Vorformteil aufgebaut und wird das Vorformteil danach unter Anwendung von Druck und/oder Wärme in einer Form zu dem fertigen Gegenstand weitergeformt. Insoweit handelt es sich bei der Erfindung um ein zweistufiges Verfahren. Das ebene Bauteil stellt ein Vorprodukt dar, welches zwischengelagert und zu anderen Verarbeitungsstätten transportiert werden kann. Dieses Vorprodukt ist jedoch be­ züglich der Zugfestigkeit nach Maßgabe der Beanspruchungen eingerichtet, die das Fertigbauteil aufzunehmen hat. Das Ab­ legeprogramm berücksichtigt die in Strangrichtung erhöhten Werte der Zugfestigkeit, aber auch die Tatsache, daß häufig nur bereichsweise erhöhte Zugfestigkeit erforderlich ist. Bei der Weiterverarbeitung des Vorproduktes treten häufig Fließ­ vorgänge auf, die ebenfalls von vornherein bei der Gestaltung und Auslegung des Vorproduktes berücksichtigt werden.

Im Rahmen der Erfindung kann mit einem Strang aus thermo­ plastifiziertem Kunststoff gearbeitet werden, der durch Molekülorientierung in Strangrichtung erhöhte Werte der Zug­ festigkeit aufweist. Insbesondere kann insoweit mit den eigen­ verstärkten Strängen gearbeitet werden, die in zunehmendem Maße in der Kunststofftechnik eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mit einem Strang aus thermo­ plastischem Kunststoff zu arbeiten, der durch eingebettete Bewehrungsfasern in Strangrichtung erhöhte Werte der Zug­ festigkeit aufweist. Für spezielle Bauteile mit hohen An­ forderungen in bezug auf die mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Wanddicke empfiehlt es sich, den Strang beim Ablegen mit variabler Zugspannung zu verlegen. Im Rahmen der Erfindung liegt es, beim Zusammen­ legen des Stranges bzw. der Stränge zum Bauteil fixierende Maßnahmen, beispielsweise an Knotenpunkten, zusätzlich zu verwirklichen. Es versteht sich, daß bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Ablegen auch in mehreren Schichten gearbeitet werden kann und daß die Stränge bzw. Strangabschnitte sowohl nebeneinander als auch sich über­ kreuzend verlegt werden können.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Diese ist gekenn­ zeichnet durch ein Stranglegewerkzeug, eine Ablegeform für den aus dem Stranglegewerkzeug austretenden Strang und eine programmierbare Steuereinrichtung für eine Relativbewegung des Strangpreßwerkzeuges gegenüber der Ablegeform, die auf das Stranglegewerkzeug und/oder die Ablegeform arbeitet, wo­ bei die Steuereinrichtung nach Maßgabe des Legeplans pro­ grammierbar ist. Beim Ablegen kann mit einem besonderen An­ preßschuh gearbeitet werden. Die Ablegeform kann erforder­ lichenfalls beheizbar sein.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungs­ gemäß Bauteile des eingangs beschriebenen Aufbaus auf sehr einfache Weise hergestellt werden können, und zwar unter Ver­ wendung bekannter und bewährter Ausgangsprodukte. Das herge­ stellte Bauteil besitzt nach Maßgabe der Spannungsverteilung unterschiedliche Zugfestigkeit.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Dar­ stellung

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Bauteil, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist,

Fig. 2 die Ansicht eines Bauteils, welches durch weitere Formung des Gegenstandes der Fig. 1 hergestellt worden ist und

Fig. 3 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 2.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 3 entnimmt man ein Bauteil aus thermoplastischem Kunststoff, welches Be­ anspruchungsbereiche 2 und Zonen 3 reduzierter Beanspruchung aufweist. Die Beanspruchungsbereiche 2 sind in den Figuren besonders schraffiert. Bei dem fertigen Bauteil 1 mag es sich um ein U-Profil handeln, welches so belastet wird, wie es in der Fig. 2 dargestellt wurde (Balken auf zwei Stützen). Da­ durch entstehen im unteren Bereich Zugspannungen mit einer Vorzugsrichtung, die in Fig. 2 in Längsrichtung des darge­ stellten Gegenstandes verlaufen.

Bei der Herstellung des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ge­ genstandes wurden zunächst die Beanspruchsbereiche 2 des Bau­ teils 1 ermittelt, in denen die schon beschriebenen Zug­ spannungen auftreten. Dann wurde unter Berücksichtigung der Beanspruchungsbereiche 2 sowie der Zonen 3 reduzierter Bean­ spruchungen ein Legeplan für den Aufbau des Bauteils aus einem Strang 4 oder aus mehreren Abschnitten eines solchen Stranges hergestellt. Man entnimmt aus der Fig. 1, daß in dem einfach gewählten Ausführungsbeispiel der Legeplan vorgibt, daß Ab­ schnitte eines Stranges 4 zueinander parallel und in gerader Richtung verlegt werden, wobei im Ausführungsbeispiel mit einer ebenen Ablegeform 5 gearbeitet wird. Die Abschnitte des Stranges 4 wurden nach Maßgabe des Legeplans zu dem Bau­ teil zusammengelegt, wie es die Fig. 1 erkennen läßt. Die nebeneinanderliegenden Strangbereiche wurden miteinander durch Anwendung von Druck und Wärme stoffschlüssig vereinigt. Dort, wo die Zugspannungen auftreten, befinden sich Strangabschnitte, die durch Molekularorientierung oder Bewehrungsfasern 6 in Längsrichtung eine erhöhte Zugfestigkeit aufweisen. Im Er­ gebnis erhält man gemäß Fig. 1 ein Bauteil 1, welches grund­ sätzlich auch als solches eingesetzt werden könnte. Dieses Bauteil 1 ist also als ebenes Bauteil aufgebaut. Im Aus­ führungsbeispiel wurde dieses ebene Bauteil jedoch danach unter Anwendung von Druck und Wärme in einer nicht gezeich­ neten Form zu dem in den Fig. 2 und 3 gezeichneten U-Profil weitergeformt. Es versteht sich, daß das Bauteil der Fig. 1 auch aus mehreren Lagen von Strängen 4 aus thermoplastifi­ ziertem Kunststoff aufgebaut werden kann und daß diese Stränge 4 nicht notwendigerweise parallel zueinander verlaufen. Sie können sich vielmehr auch überkreuzen und in mehreren Schich­ ten angeordnet sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermopla­ stischem Kunststoff,
welches Beanspruchungsbereiche und Zonen reduzierter Beanspruchung und insbesondere in den Beanspruchungsbe­ reichen eine Spannungsverteilung mit Vorzugsrichung der Zugspannungen aufweist,
wobei thermoplastifizierter Kunststoff mit Hilfe einer dem Bauteil entsprechenden Form geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst (z. B. mit den Hilfsmitteln der computergestützten technischen Mechanik und der Methode der finiten Elemente) die Beanspruchungsbereiche des Bauteils ermittelt werden, daß unter Berücksichtigung der Beanspruchungsbereiche sowie der Zonen reduzierter Beanspru­ chung ein Legeplan für den Aufbau des Bauteils aus einem Strang bzw. aus mehreren Abschnitten eines solchen Stranges hergestellt wird, daß zum Aufbau des Bauteils ein Strang aus Fremdfasern in einer thermoplastischen Matrix und/oder aus eigenverstärkten thermoplastischen Polymerwerkstoffen ver­ wendet wird, der in Strangrichtung erhöhte Werte der Zug­ festigkeit aufweist, daß dieser Strang bzw. die Abschnitte dieses Stranges nach Maßgabe des Legeplans zu dem Bauteil zu­ sammengelegt werden und daß die Stränge bzw. Strangbereiche stoffschlüssig vereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge bzw. Strangbereiche beim Zusammenlegen oder danach unter Anwendung von Druck und Wärme stoffschlüssig vereinigt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil als ebenes Vorformteil aufgebaut und das ebene Vorformteil danach unter Anwendung von Druck und/oder Wärme in einer Form zu einem Fertigteil weitergeformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Strang aus thermoplastischem Kunststoff ver­ wendet wird, der durch Molekülorientierung in Strangrichtung erhöhte Werte der Zugfestigkeit aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Strang aus thermoplastischem Kunststoff verwendet wird, der durch eingebettete Bewehrungsfasern in Strangrichtung erhöhte Werte der Zugfestigkeit aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit Strängen gearbeitet wird, die nach Maßgabe der Spannungsverteilung in Strangrichtung unterschied­ liche Werte der Zugfestigkeit aufweisen.

7. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
ein Stranglegewerkzeug,
eine Ablegeform für den aus dem Stranglegewerkzeug aus­ tretenden Strang und
eine programmierbare Steuereinheit für eine Relativ­ bewegung des Stranglegewerkzeuges gegenüber der Ablege­ form, die auf das Stranglegewerkzeug und/oder die Ab­ legeform arbeitet,
wobei die Steuereinrichtung nach Maßgabe des Legeplans pro­ grammierbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablegeform beheizbar ist.