DE4118286C2 - Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus faser­ verstärkten Thermoplasten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen sind an sich in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, wobei jedes dieser Verfahren gemäß dem zu fertigenden Bauteil spezialisiert ist. Das vorliegende Verfahren ist zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermopla­ sten unter Verwendung von vorimprägnierten Halbzeugen, vornehmlich Hexagonalwaben mit Deckschichten und vorgeformte Randprofile, geeignet.

Bei allen diesen Verfahren besteht das erhebliche Problem, daß keine exakten Randabschlüsse erhalten werden. Diese Tatsache bezieht sich insbesondere auf solche Bauteile, bei denen Hexago­ nalwaben verwendet werden. Durch den jeweiligen Stützwerkstoff wird kein Druck in seitlicher Richtung aufgebaut, was bisher zusätzliche Maßnahmen erfordert, um die sonst entstehenden schlecht ausgeprägten Randprofile zu vermeiden, die dann in aufwendiger Weise nachgearbeitet werden.

Es ist bekannt, daß bei Duroplasten als Matrix für die Deckschichten versucht wird, den vor­ beschriebenen Nachteil schlechter Randprofile dadurch zu beheben, daß durch aufschäumende Systeme - wie beispielsweise Spleißkleber - eine Volumenvergrößerung herbeigeführt wird, um dadurch dann einen gewissen Druck auch in seitlicher Richtung aufzubauen. Für thermoplastische Deckschichten sind jedoch aufgrund der höheren Verarbeitungstemperaturen bisher keine vor­ teilhaften Maßnahmen zur Erzielung guter Randabschlüsse bekanntgeworden. Darum ist das Problem der Herstellung von Sandwichbauteilen mit thermoplastischen Deckschichten, bei denen die Randprofile voll und exakt ausgebildet sind, bisher - ohne Nachbearbeitungen - nicht zu lösen.

Aus einem Aufsatz von Hintersdorf (Gert Hintersdorf, Dresden: "Geklebte Konstruktionen in Wabenbauweise"; Fertigungstechnik und Betrieb, Heft 8, August 1962, Seiten 533 bis 537; 12. Jahrgang) und aus den US 3,906,127, EP 0 389 978 A2, DE 37 04 906 A1 und DE 34 01 959 A1 sind ferner Lösungen bekannt, deren Maßnahmen verschiedenartige Anregungen zur Her­ stellung von Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten vermitteln.

Hintersdorf behandelt in seinem Aufsatz geklebte Konstruktionen in Wabenbauweise. Er stellt Wabenkonstruktionen vor, bei denen (zwei) Deckschichten mit ihnen zwischenliegenden Waben verklebt sind, wobei (im allgemeinen) Deckschichtendicken von 0,5 mm bis 5 mm als gebräuchlich angegeben werden. Die Waben stützen die Deckschichten gegen Beulen ab und verhindern damit auch bei hohen Beanspruchungen, daß diese elastisch unstabil werden. Hintersdorf führt ferner aus, daß das Problem der Verbindung der Deckschichten mit den Waben in den meisten Fällen durch Kleben gelöst wird.

Aus der US 3,906,127 ist eine weitere Wabenkonstruktion bekannt, bei der zwei Kunststoffplatten mit einem ihnen zwischenliegenden Wabenkern verklebt sind. Den randseitig abstehenden Platten­ rändern werden die Schenkel von U-förmigen Randprofilen aus unterschiedlichem Material (Aluminium, Stahl, Plaste) unterführt und unterhalb der Plattenränder mit einem Klebemittel befestigt, die längs- und breitseitig der Platten den Rahmen für ein Zeichenbrett bilden.

Nach diesen Lösungen werden keine vorgeformten Randprofile benutzt, die auf geeignete Weise - ausgenommen der Gebrauchs eines zusätzlichen Klebemittels - eine stabile qualitätsgerechte Befestigung mit Deckschichten eingehen. Sie schlagen auch keine geeignete Technologie zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten vor, nach der man durch geeignete Maßnahmen nachbearbeitungsfreie Randprofile erzielen würde.

Die EP 0 389 978 A2 offenbart eine Lösung, nach der bei einer Mehrschichtplatte eine Deck­ schicht aus faserverstärkten thermoplatischen Kunststoff mit einer Kernschicht (Honigwaben­ struktur) verbunden ist. Die Verbindung der beiden Elemente wird mit einem geeigneten Kleber erreicht. Auch hier wird keine geeignete Technologie zur Anbindung vorgeformter Randprofile an Sandwichbauteile vorgeschlagen, nach der man durch geeignete Maßnahmen nachbearbeitungsfreie Randprofile erzielen würde. Wie bei den beiden vorgenannten Lösungen wird auch hier zusätzlich ein Klebstoff benutzt, der eine Kernschicht mit einer Deckschicht haftend verbindet.

Die DE 37 04 906 A1 offenbart eine Lösung, nach der ein weitgehend lichtdurchlässiger kapillar­ strukturierter Kern geringer Dichte mit beidseitigen transparenten Deckschichten zu einer isolie­ renden Platte mit hohem Lichtdurchlaß zusammengefügt wird, wobei diese an ihrem Umfang eine profilierte Umrandungsstruktur größerer Dichte aufweist.

Die profilierte Umrandung soll lösungsbezogen durch Form- und Dichteänderung des Platten­ umfanges erzeugt werden. Die Elemente nach der DE 3 704 906 A1 bestehen aus lichtdurch­ lässigem Material (Kern) und einem beidseitigen transparenten Material. Auch gibt die Druck­ schrift nirgendswo darüber Auskunft, nachdem eine geeignete Technologie zur Verbindung faserverstärkter Thermoplaste mit Papier- oder Aluminiumwaben und ohne zusätzliche Mittel angeregt wird. Nach dieser Lösung läßt sich die profilierte Umrandungsstruktur nachteiligerweise nur durch Form- und Dichteänderung des Plattenumfanges erzeugen.

Die DE 34 01 959 A1 vermittelt einem Fachmann die Kenntnis, daß das Verbinden von Profilen oder Komponenten aus Kunststoff durch Schweißen (Heißgasschweißen, Heißgasverschweißen, Heißgasschmelzen resp. Heißluftverschließen) geschehen kann, wobei nach dieser Lösung Kühl­ schlangen (für ein Kühlmedium) das Schalfen einer (sogenannten) wohlgesteuerten Umgebung der Außenseite des Schmelz- oder Schweißbereiches übernehmen.

Bei dieser Lösung handelt es sich um eine Vorrichtung, mit deren Hilfe das Öffnungsende biegsa­ mer Verpackungsbehälter, beispielsweise der mit einem flüssigen Produktinhalt gefüllten Flaschen aus Kunststoff, verschlossen bzw. abgedichtet wird. Dabei wird der zu aktivierende Dichtbereich rund um eine Öffnung an der Innenseite eines Hohlkörpers oder exakter ein definierter Bereich des Endes einer in Querrichtung abzudichtenden oder zu verschließenden Tube bzw. Flasche aus Kunststoff, die in senkrechter Richtung in einer Füll- / Verschließmaschine verschiebbar gehalten ist, mittels einer (der Vorrichtung zugehörenden) Düse, der - in der Position ihrer Einsetztiefe in­ nerhalb der Flasche - Heißluft entströmt, hitzeaktiviert. Gleichzeitlich wird während der Hitzeakti­ vierung ein Kühlen des abzudichtenden Außenbereiches (der Flasche) erfolgen, um die (soge­ nannte) wohlgesteuerte Umgebung an der Außenseite des Schmelz- und Schweißbereiches zu schaffen. In einem nachfolgenden Arbeitsgang wird der hitzeaktivierte (End-)Bereich der Flasche mittels Preßbacken zusammengepreßt, wodurch dieser Bereich heißverschweißt (heißverklebt) und dadurch die gewünschte Dichtwirkung erreicht wird. Nun mag es sein, daß ein Fachmann der DE 34 01 959 A1 die Lehre entnimmt, nach der ein "einwandfreies Verbinden" von aneinanderlie­ genden Kunststoffoberflächen möglich wird, wenn man die zu verbindenden (Rand-)Flächen gleichzeitig kühlt. Dann wären allerdings auch die zu verbindende(n) Materialart(en), die Größe der zu verbindenden Auflageflächen, die mechanische Belastbarkeit der gewünschten Flächenver­ bindung(en) ect. (- allgemein, das Anwendungsgebiet und zusätzlich das der betreffenden Lösung zugrundeliegende Problem -) zu hinterfragen, um die bekannte Lösung mit anderen Lösungen zu vergleichen.

Berücksichtigt man außerdem die Tatsache, daß die Lösung nach der DE 34 01 959 A1 sich auf eine in der Nahrung-, Genuß- und Kosmetikmittelindustrie eingesetzte Vorrichtung zum dichten Verschließen von Kunststoffbehältern bezieht, kann kaum erwartet werden, daß sie eine geeignete Technologie zur Anbindung vorgeformter Randprofile an Sandwichbauteile vorgeschlagen wird, nach der man durch geeignete Maßnahmen nachbearbeitungsfreie Randprofile erzielen würde. Das durch sie gelöste Problem bezieht sich keinesfalls auf ein Erzielen guter (nachbearbeitungsfreier) Randabschnitte (Randprofile) für thermoplastische Deckschichten aufgrund höherer Verarbeitungs­ temperaturen, da sie anderen Zweckbestimmungen unterliegt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren aufzuzei­ gen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden und nachbearbeitungsfreie Randprofile bei den eingangs genannten Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Maßnahmen angegeben.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel mit zwei Ausführungen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines Bauteils in Form einer sogenannten Hatrack-Klappe mit eingesetzten vorgefertigten Randprofilelementen in Draufsicht,

Fig. 1b eine Seitenansicht des Bauteils gemäß Fig. 1a,

Fig. 2a einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1a mit gestrichelt ge­ zeichneter Werkzeugform in schematischer Darstellung der Sandwich- Bauteilelemente nach einer ersten Ausführung,

Fig. 2b einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1a mit gestrichelt ge­ zeichneter Werkzeugform in schematischer Darstellung der Sandwich- Bauteilelemente nach einer zweiten Ausführung.

Das vorgeschlagene Verfahren wird am Beispiel einer sogenannten Hatrack-Klappe, wie sie in Fig. 1a und 1b schematisch skizziert ist, erläutert. Das eingangs geschilderte Problem bei der Herstellung von Sandwichbauteilen 10 aus faserverstärkten Thermoplasten mit thermoplastischen Einzelelementen, beispielsweise bei Deckschichten 12 aus Prepregteilen, bei denen die Ränder voll ausgeformt sind, wird nun dadurch gelöst, daß diese Randprofile 11 in einem ersten Arbeitsgang vorgefertigt werden, beispielsweise als Spritzgußteile. Daran schließt sich ein unter Schweißtempe­ ratur ablaufender Preßvorgang der in einer Werkzeugform 14 angeordneten Sandwichbauteile 10 an. Dazu werden matrixartige Deckschichten 12, ein Hexagonalwaben-Formkern 13 und der Randbereich der Randprofile 11 zunächst paßgerecht in die Werkzeugform 14 eingelegt. Die Randprofile 11 lassen einen Randbereich erkennen, der entweder eine (in der Fig. 2a dargestellte) Paßformnute 11a aufweist oder der die Gestalt einer (in der Fig. 2b dargestellten) Paßleiste 11b besitzt. Dabei werden die Randprofile 11 über eine obere und eine untere Deckschicht 12, denen der Formkern 13 zwischengeschichtet wird, gelagert oder ihnen randseitig unterführt, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.

In den Fig. 2a und 2b sind zwei Ausführungen für die formgerechte Verbindung von Sand­ wichbauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten (Deckschichten 12, Hexagonalwaben-Formkern 13) mit den vorgeformten Randprofilen 11 aus thermoplastischen Faserverbundmaterial dargestellt.

Gemäß der Fig. 2a werden die Randprofile 11 über das Sandwichbauteil 12, 13 gestülpt. Hierzu weisen die Randprofile 11 einseitig eine Ausnehmung auf, die die Paßformnute 11a bildet. Die beiden Deckschichten 12 werden in diese Paßformnute 11a eingeführt, derweise, daß das Randprofil 11 infolge der Nuteneinführung über den Bauteilrand gedrückt wird.

Gemäß der Fig. 2b weist das Randprofil 11 einseitig eine Verjüngung des Profilrandes auf, die die Paßleiste 11b bildet. Den beiden Deckschichten 12 wird die Paßleiste 11b unterführt bzw, aufge­ legt, derweise, daß die beiden Deckschichten 12 über den Formkern 13 des Sandwichbauteils 10 vorstehen und sich an diese Paßleiste 11b anpressen.

In beiden Fällen wird die Werkzeugform 14 auf die Schweißtemperatur des Deckschichtenmate­ rials der Deckschichten 12, die im allgemeinen bei Thermoplastmaterial etwa 180°C oder etwas mehr beträgt, aufgeheizt und durch Preßung mit entsprechendem Druck belastet. Der außerhalb der Werkzeugform 14 befindliche massive Bereich der Randprofile 11 wird nicht oder nur unwe­ sentlich mit aufgeheizt, wodurch deren ursprüngliche Form gänzlich erhalten bleibt. Darauf folgend wird die Werkzeugform 14 mit dem ihr eingelegten Aufbau unter Druckbelastung stehend abgekühlt.

Das vorbeschriebene Verfahrens wird mit Deckschichten 12 (nach der Bauteile-Anordnung gemäß Fig. 2a) realisiert, bei dem (nach der Fig. 2a) die Randkanten der oberen und unteren Deckschicht 12 einen verjüngenden Querschnitt aufweisen, dem der Randbereich des Randprofiles 11 innerhalb des Querschnittes der Paßformnute 11a eingeführt wird. Außerdem werden bei diesem Verfahren (nach der Bauteile-Anordnung gemäß Fig. 2b) die über den Formkern 13 vorstehende obere und untere Deckschicht 12 dem zur Paßleiste 11b abgegrenzten Randbereich der Randprofile 11 angelegt.

Zusammenfassend wird das vorgestellte Verfahren dermaßen realisiert, wonach in beiden Fällen die Deckschichten 12 mit dem Formkern 13 in üblicher Weise mit Druck beaufschlagt und somit die Randprofile 11 mit den Deckschichten 12 und dem Formkern 13 verbunden werden. Anschlie­ ßend wird der komplette Aufbau unter Druck abgekühlt und ausgehärtet und dann das fertige Sandwichbauteil 10, - hier die Hatrack-Klappe -, aus der Werkzeugform 14 entfernt. Als Ergebnis ergibt sich nun ein Sandwichbauteil 10, bei dem die Randprofile 11 voll und exakt ausgeformt sind und daher keinerlei Nacharbeitsaufwand mehr erforderlich wird.

Die Eckverbindungen der vorgeformten Profile können auf verschiedene Weise erfolgen, beispiels­ weise durch Verschraubung, durch Nut und Federn oder Paßflächen und Paßbolzen etc. Auch ist eine Anbindung durch Klebung oder "one-shot-bonding" beim Härten der Klappe denkbar. Außerdem können die Profile zusätzlich noch mit Halterungen für Scharniere usw. versehen sein.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen aus faserverstärkten Thermopla­ sten unter Verwendung von vorzugsweise Hexagonalwaben mit Deckschichten (12) und vorgeformten Randprofilen (11), die in einem vorgeschalteten Arbeitsgang fertig ausge­ formt werden, wobei letztere einen Randbereich erkennen lassen, der eine Paßformnute (11a) aufweist oder der die Gestalt eine Paßleiste (11b) besitzt, bei dem matrixartige Deckschichten (12), ein Hexagonalwaben-Formkern (13) und der Randbereich der Rand­ profile (11) paßgerecht in eine Werkzeugform (14) eingelegt werden und der Formkern (13) zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht (12) gelagert wird, die in die Paßformnute (11a) eingeführt oder der Paßleiste (11b) aufgelegt werden, wobei ein massi­ ver Bereich der Randprofile (11), der an deren Randbereich angrenzt, aus der Werkzeug­ form (14) herausragt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Werkzeugform (14) auf die Schweißtemperatur des Deckschichtenmaterials der Deckschichten (12) aufgeheizt und mit Druck belastet wird, wobei der außerhalb der Werkzeugform (14) befindliche massive Bereich der Randprofile (11) nicht oder nur unwesentlich mit aufgeheizt wird, wodurch deren ursprüngliche Form gänzlich erhalten bleibt, und daß
• b) darauffolgend die Werkzeugform (14) mit dem ihr eingelegten Aufbau unter Druckbelastung stehend abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rand­ kanten der oberen und unteren Deckschicht (12) einen verjüngenden Querschnitt auf weisen, dem der Randbereich des Randprofiles (11) innerhalb des Querschnittes der Paßformnute (11a) eingeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Formkern (13) vorstehende obere und untere Deckschicht (12) dem zur Paßleiste (11b) abgegrenzten Randbereich der Randprofile (11) angelegt werden.