EP3519168A1 - Verfahren zur herstellung eines formteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines formteils

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Publication number
EP3519168A1
EP3519168A1 EP17777010.4A EP17777010A EP3519168A1 EP 3519168 A1 EP3519168 A1 EP 3519168A1 EP 17777010 A EP17777010 A EP 17777010A EP 3519168 A1 EP3519168 A1 EP 3519168A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
composite
fiber
forming
plastic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17777010.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Patberg
Stefan Mayer
Andreas Cott
Dieter Kalemba
Sophie REISEWITZ
Christian Paul
Erik Hilfrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3519168A1 publication Critical patent/EP3519168A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B32B2605/00—Vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a molded part, in particular a molded part with a first component of a metallic material and at least one second component of a fiber-plastic composite system.
  • moldings for example, from the document DE 10 2013 104 635 A1, already known.
  • the prior art also knows such moldings, on the one hand comprise a metallic material having a first layer and on the other hand, a fiber-plastic composite having second layer.
  • These moldings are known as semi-finished products, for example, from the automotive industry and allow as a hybrid structural part, the advantageous material properties of the metal and the fiber-plastic composite, namely the lowest possible weight, for example, a desired energy absorption in the event of a crash and a relatively high strength to unite.
  • the present invention solves the problem by a method for producing a molded part comprising the following method steps:
  • the heated composite is formed by means of a forming tool to the molding.
  • the first component comprising the metallic material and the second component comprising the fiber-plastic composite system are jointly formed in a composite, ie as a hybrid structure.
  • the first component is preferably single-layered or layer-formed from a metallic material.
  • the second component can be formed in one or more layers or one or more layers of a fiber-plastic composite system.
  • the first component of a metallic material (sheet) and the second component of a fiber-plastic system which comprises a plastic matrix and fibers, in particular in the plastic matrix mounted fibers, already materially together are connected or in a second embodiment, the first and the second component are not yet connected to each other, wherein the connection of the first and the second component can take place before or during the forming step.
  • the fiber-plastic composite system can be provided as a stored in the plastic matrix fibers (consolidated state) or on the other hand, the plastic matrix and the fibers in not yet or partially consolidated state.
  • the forming process is a deep drawing. Examples of further conceivable forming processes are roll profiling, bending and / or folding.
  • the first component is a metallic layer, for example a steel layer or a layer of aluminum, magnesium or stainless steel.
  • a material for the plastic matrix in particular thermoplastics, such.
  • PA polyamide
  • PE polyethylene
  • PAPE polyamide / polyethylene
  • PPS polyphenylsulfide
  • PSU polysulfone
  • PP polypropylene
  • Exemplary embodiments of the fibers in the second component are carbon fibers, glass fibers, natural fibers, aramid fibers, polymer fibers, metal fibers, ceramic fibers or mineral fibers.
  • the use as short fiber, long fiber or endless fiber is also conceivable.
  • the fibers are present in the fiber-plastic composite system as a fiber system.
  • the fibers are present as a fiber system in the form of a mat, a fabric or a fabric.
  • the method proves to be particularly advantageous because such fiber systems are particularly prone to tear under the load of a conventional forming process of the second component.
  • the second component may be provided over the entire surface or partially in a composite.
  • two or more Re second components may be arranged side by side in the composite.
  • the forming speed and the forming temperature are adapted and matched in the forming step.
  • the forming speed and forming temperature are adapted in particular to the material selection in the second layer.
  • the forming tool comprises a hold-down and / or a punch, and the force acting on the composite and emanating from the hold-down and / or punch forces are adjusted accordingly.
  • a pressing force is set such that a static friction between the hold-down and the first layer is greater than the static friction between the fiber and the plastic or the plastic matrix.
  • the deformed composite is cooled in the forming tool.
  • the deformed composite is cooled to a temperature below the melting or glass transition temperature.
  • the composite is cooled under pressure in the forming tool.
  • a third component which is formed, for example, sheet-shaped, is provided from a fiber-free plastic, wherein the third component between
  • the third component differs from the second component in particular in that the third component is fiber-free, ie in contrast to the second layer has no fibers.
  • a thermoplastic layer preferably made of PAPE
  • PAPE PAPE
  • the first component and the second component in the composite in a It is conceivable that the first component is arranged quasi as a core layer or core layer between two second components, as well as that the second component is arranged as a core layer or core layer between two first components.
  • the composite comprises only a single first and a single second component.
  • the composite is configured in multiple layers, wherein the composite is formed by the stacking of a plurality of first components and second components, and optionally third components. In this case, the second and the first component preferably alternate.
  • the heating is realized by means of a continuous furnace, by means of induction, by means of infrared light and / or by contact.
  • the composite is heated, for example, to a target temperature above 220 ° C.
  • the composite is heated outside the forming tool.
  • the composite is transported from the area of heating to the forming tool by means of a gripper or a roller transport.
  • the first component with the second component and possibly a third component are materially connected.
  • the first and the second component and optionally third component are connected to each other surface.
  • the first component is provided of an aluminum or magnesium containing material, wherein the first component and two second components are sandwiched to form a composite with the first component disposed between the second components is, in particular, the composite is formed with an unheated forming tool. It has surprisingly been found that a transformation of this composite requires no heated forming tool. In addition, can be dispensed with a tool lubrication. The result is that the transformation process is further simplified and energy and consumables, such. As a tool lubricant, can be saved.
  • two first component and the second component are connected in the sandwich construction in a composite, wherein for the second component of a plastic matrix a thermoplastic and fibers preferably of the carbon fiber type are provided, wherein the two components surrounding the second component are provided from a steel-containing material.
  • a molded part is particularly suitable as a semi-finished product in the manufacture of a vehicle.
  • the forming tool is opened in time after cooling to remove the molding.
  • FIG. 1 schematically shows a method for producing a molded part according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figures 2a to 2d show various composites of a first component and a second component, for which the method according to the present invention is provided.
  • FIG. 1 schematically shows a method for producing a molded part 10 '.
  • a molded part 10 ' forms, for example, a semifinished product which, for example, is installed in a vehicle in a later production step or otherwise and is to be provided correspondingly preformed to this later production step.
  • the molded part 10 ' is provided as a hybrid composite or as a hybrid structure, wherein the molding on the one hand at least one first component in the form of a layer 1 1 of a metallic material, such as steel, aluminum, magnesium or stainless steel, and on the other hand at least one second component in Form of a single or multi-layered ge 12 has a fiber-plastic composite system.
  • the fiber-plastic composite system comprises on the one hand a plastic matrix, for.
  • thermoplastic such as PA, PE, PAPE, PP or the like
  • thermoset an elastomer or a thermoplastic elastomer
  • plastic matrix stored fibers which are particularly preferably joined to a fiber system within the plastic matrix (consolidated state)
  • Carbon fibers, glass fibers, natural fibers, aramid fibers, polymer fibers, metal fibers, ceramic fibers or mineral fibers are conceivable fibers.
  • short fibers, long fiber or continuous fiber reinforcements can be used. It is preferably provided that the fibers form a fiber system, for example in the form of a woven fabric, a mat or a mat.
  • a composite 10 is provided with at least one first component / layer 1 1 and at least one second component / layer 12, then the composite formed 10 is heated and finally in a forming step 4, for example by a deep-drawing process, by roll profiling, by bending, by a folding or the like, by means of a forming tool 1 is transformed.
  • a forming step 4 for example by a deep-drawing process, by roll profiling, by bending, by a folding or the like, by means of a forming tool 1 is transformed.
  • the formed composite 10 is heated during heating 2 to a target temperature above a melting or glass transition temperature of the plastic matrix, d. h a material from which the plastic matrix is made lies.
  • the fiber-plastic composite system is placed in a state in which a viscosity of the plastic matrix adjusts, which allows a sliding movement of the fibers or of the fiber system within the plastic matrix.
  • a forming speed ie.
  • a speed at which a deformation of the composite is completed and a forming temperature is, among other things adapted to the movement of the fiber in the plastic matrix, so that the fibers or the fiber system can be folded or draped during the forming step.
  • the forming of multi-layer systems comprising at least a first layer-shaped component made of a metallic material and at least one second layer-shaped component made of a fiber-plastic composite system and optionally at least a third layer-shaped component is possible, in particular in sandwich form.
  • the formed composite is cooled in the forming tool 1.
  • a pressure acting on the composite 10 by the forming tool 1, preferably unheated forming tool 1 is maintained until the cooling process has ended.
  • the forming tool 1 for Removal 5 of the molding opened.
  • a temperature profile during the individual process steps is shown. It is provided that a heating 2 of the composite 10 takes place in time prior to insertion 3 of the composite 10 in the forming tool 1 and the cooling begins with the closing of the forming tool 1. Once a temperature is reached at which the plastic matrix has cured, the forming tool 1 can be opened again and the molded composite can be removed from the forming tool 1.
  • FIGS. 2a to 2d show various composites of a first component in the form of a layer 11 and of a second component in the form of a layer 12, for which the method according to the present invention is provided.
  • the second component / layer 12 and two first components / layers 1 1 are assembled in a sandwich construction, in which the second component / layer 12 between the two first components / layers 1 1 is arranged, while in the figure 2b, the first component / layer 1 1 and two second components / layers 12 are assembled in the sandwich construction, in which the first component / layer 1 1 between the two second components / layers 12 is arranged.
  • the forming tool 1 is heated before inserting the composite 10, while it is conceivable in the embodiment of Figure 2b that the composite 10 takes place in an unheated forming tool 1, when the first Component / Layer 1 1 an aluminum- or magnesium-containing layer is used.
  • the forming tool is heated, for Mg, for example up to about 260 ° C.
  • a "cold" forming tool can be used, in which case tool lubrication can advantageously be dispensed with an exemplary multi-layer system in which any number of first components / layers 1 1 and second components / layers 12 are joined together to form composite 10.
  • tool lubrication can advantageously be dispensed with an exemplary multi-layer system in which any number of first components / layers 1 1 and second components / layers 12 are joined together to form composite 10.
  • the composite 10 to one side with the first component / layer 1 1 and On one side opposite the other side of the first component / ply 1 1, the second component / ply 12 closes in.
  • a third component / layer in the form of a plastic layer ie a fiber-free or non-fiber-reinforced plastic layer, between two first component / layers 1 1 is arranged.
  • the third component / layer as a coupling layer between the first component / layer 11 and the second component / layer 12 is arranged.
  • the third layer is arranged in a composite between two first components / layers 11.
  • a composite 10 of a single first component / layer 1 1 and a single second component / layer 12 is shown as a further variant in Figure 2d.
  • the invention is not limited to the production of moldings for vehicle construction.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils (10') aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: -- Bereitstellen einer ersten Komponente (11) aus einem metallischen Material und mindestens einer zweiten Komponente (12) aus einem Faser-Kunststoffverbund-System -- Bilden eines Verbunds (10) umfassend die erste Komponente (11) und mindestens die zweite Komponente (12) -- Aufheizen (2) des Verbunds (10) auf eine Zieltemperatur, die über einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Kunststoffs liegt, wobei in einem Umformungsschritt (4) der aufgeheizte Verbund (10) mittels eines Umformungswerkzeugs (1) zum Formteil (10') umgeformt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Formteils
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere eines Formteils mit einer ersten Komponente aus einem metallischen Material und mindestens einer zweiten Komponente aus einem Faser-Kunststoffverbund-System.
Bedingt durch steigende gesetzliche Limitierungen für einen C02-Ausstoß von Kraftfahrzeugen sowie begrenzte Rohstoffe steigt das Interesse, ein Gewicht einzelner Fahrzeugkomponenten möglichst gering zu halten. Neben hochfesten Stählen und Leichtmetallen, wie z. B. Aluminium und Magnesium, sind vor allem faserverstärkte Kunststoffe bzw. Faser-Kunststoffverbunde, bei denen Fasern beispielsweise in thermoplastischen Matrixwerkstoffen eingearbeitet sind, als Werkstoffgruppe wegen ihrer hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit in den Fokus der Automobilindustrie gerückt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass sich ein abruptes Versagen und eine geringe Steifigkeit der Matrixwerkstoffe der Faser- Kunststoffverbunde als nachteilig erweisen. Daher besteht ein besonderes Interesse an Formteilen aus Hybridstrukturen, die neben faserverstärkten Kunststoffen auch Metalle umfassen.
Im Allgemeinen sind als Hybridstruktur ausgebildete Formteile, beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2013 104 635 A1 , bereits bekannt. Darüber hinaus kennt der Stand der Technik ferner solche Formteile, die einerseits eine ein metallisches Material aufweisende erste Lage und andererseits eine einen Faser-Kunststoffverbund aufweisende zweite Lage umfassen. Diese Formteile sind als Halbzeuge beispielsweise aus der Fahrzeugindustrie bekannt und erlauben als hybrides Strukturteil die vorteilhaften Materialeigenschaften des Metalls und des Faser-Kunststoffverbunds, nämlich ein möglichst geringes Gewicht, beispielsweise eine gewünschte Energieaufnahme im Crashfall und eine vergleichsweise hohe Festigkeit, zu vereinen.
Wegen des unterschiedlichen Verhaltens bei der Umformung sind aus dem Stand der Technik solche Verfahren zur Herstellung von diesen Formteilen aus Metall und einem Faser- Kunststoffverbund-System bekannt, bei denen das Metall und der Faser-Kunststoffverbund- System zunächst geformt und im Anschluss an den Umformungsschritt in einem Fügepro- zess zusammengefügt werden. Ein Grund für diese Vorgehensweise ist darin begründet, dass die in der Kunststoff-Matrixstruktur gelagerten Fasern bzw. Fasersysteme üblicherwei- se unter den Belastungen eines Umformungsprozesses reißen. Der aufwendige Fügepro- zess verlängert allerdings eine Taktzeit, mit der diese als Formteil ausgebildete Hybridstruktur bereitgestellt werden kann, deutlich.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Fertigung von Formteilen aus einer ersten metallhaltigen Komponente und einer einen Faser-Kunststoffverbund-System umfassenden zweiten Komponente vereinfacht und insbesondere beschleunigt wird.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
— Bereitstellen einer ersten Komponente aus einem metallischen Material und mindestens einer zweiten Komponente aus einem Faser-Kunststoffverbund-System,
— Bilden eines Verbunds umfassend die erste Komponente und mindestens die zweite Komponente,
— Aufheizen des Verbunds auf eine Zieltemperatur, die über einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Kunststoffes liegt,
wobei in einem Umformungsschritt der aufgeheizte Verbund mittels eines Umformungswerkzeugs zum Formteil umgeformt wird.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden die das metallische Material umfassende erste Komponente und die das Faser-Kunststoffverbund-System umfassende zweite Komponente gemeinsam im Verbund, d. h. als Hybridstruktur, umgeformt. Die erste Komponente ist vorzugsweise einlagig respektive lagenförmig aus einem metallischen Material gebildet. Die zweite Komponente kann ein- oder mehrlagig respektive ein- oder mehrschichtig aus einem Faser-Kunststoffverbund-System gebildet sein. Unter Verbund wird verstanden, dass in einer ersten Ausführung die erste Komponente aus einem metallischen Material (Blech) und die zweite Komponente aus einem Faser-Kunststoff-System, welche eine Kunststoffmatrix und Fasern, insbesondere in der Kunststoff matrix gelagerte Fasern umfasst, bereits stoffschlüssig miteinander verbunden sind oder in einer zweiten Ausführung die erste und die zweite Komponente noch nicht miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung der ersten und der zweiten Komponente vor oder während des Umformschrittes erfolgen kann. In der zweiten Ausführung kann das Faser-Kunststoffverbund- System zum einen als in der Kunststoffmatrix gelagerte Fasern bereitgestellt werden (konsolidierter Zustand) oder zum anderen die Kunststoffmatrix und die Fasern im noch nicht bzw. teil-konsolidierten Zustand bereitgestellt werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf einen aufwendigen nachgeschalteten Fügeprozess der ersten und der zweiten Komponente verzichtet werden. Ermöglicht wird dies durch das Aufheizen des Verbunds auf eine Zieltemperatur, die über einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Kunststoffes respektive der Kunststoffmatrix liegt. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass sich die Fasern beim Umformen gleitend in der zweiten Komponente bewegen und entsprechend ausrichten können, so dass eine Wahrscheinlichkeit für ein Reißen der Fasern reduziert wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass hierbei Prozessparameter abhängig von den jeweiligen Mate- rialen in der ersten und der zweiten Komponente, vom Umformungswerkzeug und der vorbestimmten Zielform des gefertigten Formteils so ausgewählt werden, dass eine derartige Hybridumformung erfolgt, bei der ein Drapieren der Fasern innerhalb des Verbunds und ein temporäres Fließen der Kunststoffmatrix während des Umformungsschritts möglich ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Umformungsprozess um ein Tiefziehen. Beispiele für weitere denkbare Umformungsprozesse sind ein Rollprofilieren, ein Biegen und/oder ein Abkanten. Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Komponente um eine metallische Schicht, beispielsweise um eine Stahlschicht oder eine Schicht aus Aluminium, Magnesium oder Edelstahl. Als Material für die Kunststoffmatrix sind insbesondere Thermoplaste, wie z. B. ein Polyamid (PA), ein Polyethylen (PE), eine Polyamid/Polyethylen (PAPE)-Zusammen- setzung, Polyphenylsulfid (PPS), Polysulfon (PSU) oder Polypropylen (PP), sowie Duroplast, Elastomere und thermoplastische Elastomere vorstellbar. Ausführungsbeispiele für die Fasern in der zweiten Komponente sind Carbon-Fasern, Glasfasern, Naturfasern, Aramidfa- sern, Polymerfasern, Metallfasern, Keramikfasern oder mineralische Fasern. Hierbei ist ferner der Einsatz als Kurzfaser, Langfaser oder als Endlosfaser vorstellbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasern im Faser-Kunststoffverbund-System als Fasersystem vorliegen. Beispielsweise liegen die Fasern als Fasersystem in Form einer Matte, eines Gewebes oder eines Geleges vor. Für solche Fasersysteme, mit denen sich eine entsprechende Verstärkung im gefertigten Fasersystem erzielen lässt, erweist sich das Verfahren als besonders vorteilhaft, da solche Fasersysteme besonders anfällig dafür sind, unter der Belastung eines konventionellen Umformprozesses der zweiten Komponente zu reißen. Die zweite Komponente kann vollflächig oder partiell im Verbund vorgesehen sein. Insbesondere können auch zwei oder mehre- re zweite Komponenten im Verbund nebeneinander angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zum Drapieren der Fasern oder des Fasersystems in dem aufgeheizten Verbund Umformgeschwindigkeit und Umformtemperatur im Umformungsschritt angepasst und aufeinander abgestimmt werden. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine Wahrscheinlichkeit für das Reißen der Fasern bzw. des Fasersystems weiter reduzieren. Dabei wird die Umformungsgeschwindigkeit und Umformtemperatur insbesondere an die Materialauswahl in der zweiten Lage angepasst. Vorzugsweise umfasst das Umformungswerkzeug einen Niederhalter und/oder einen Stempel, und die auf den Verbund wirkenden und vom Niederhalter und/oder Stempel ausgehenden Kräfte werden entsprechend angepasst. In einer Ausführungsform wird eine Presskraft derart eingestellt, dass eine Haftreibung zwischen dem Niederhalter und der ersten Lage größer ist, als die Haftreibung zwischen der Faser und dem Kunststoff respektive der Kunststoffmatrix.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der umgeformte Verbund im Umformungswerkzeug abgekühlt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der umgeformte Verbund auf eine Temperatur unterhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur abgekühlt wird. Sobald die Kunststoff matrix respektive der Kunststoff abgekühlt ist, werden die beim Umformungsprozess umgelegten und dabei drapierten Fasern in ihrer neuen Lage durch die ausgehärtete Kunststoffmatrix fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbund unter Druck im Umformungswerkzeug abgekühlt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine dritte Komponente, welche beispielsweise lagenförmig ausgebildet ist, aus einem faserfreien Kunststoff bereitgestellt wird, wobei die dritte Komponente zwischen
— zwei ersten Komponenten
— zwei zweiten Komponenten und/oder
— der ersten und der zweiten Komponenten
angeordnet wird. Dabei unterscheidet sich die dritte Komponente von der zweiten Komponente insbesondere dadurch, dass die dritte Komponente faserfrei ist, d. h. im Gegensatz zur zweiten Lage keine Fasern aufweist. Vorstellbar ist dabei, dass eine thermoplastische Schicht (vorzugsweise ausPAPE) als dritte Komponente in vorteilhafter Weise als Koppelschicht zwischen der ersten und der zweiten Komponente dient. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Komponente und die zweite Komponente im Verbund in einer Sandwichbauweise zusammengefügt werden, wobei es sowohl vorstellbar ist, dass die erste Komponente quasi als Kernlage bzw. Kernschichtzwischen zwei zweiten Komponenten angeordnet ist, als auch, dass die zweite Komponente als Kernlage bzw. Kernschicht zwischen zwei ersten Komponenten angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verbund nur eine einzige erste und eine einzige zweite Komponente. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass der Verbund mehrlagig ausgestaltet ist, wobei der Verbund durch das Stapeln von mehreren ersten Komponenten und zweiten Komponenten, und gegebenenfalls dritten Komponenten gebildet wird. Hierbei wechseln sich die zweite und die erste Komponente vorzugsweise ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Aufheizen mittels eines Durchlaufofens, mittels Induktion, mittels Infrarotlicht und/oder durch Kontakt realisiert wird. Sofern als Fasermatrix ein PA6 umfassendes Material verwendet wird, wird der Verbund beispielswiese auf eine Zieltemperatur oberhalb von 220 ° C erhitzt. Vorzugsweise wird der Verbund außerhalb des Umformungswerkzeugs aufgeheizt. Ferner ist es vorstellbar, dass der Verbund vom Bereich des Aufheizens zum Umformungswerkzeug mittels eines Greifers oder eines Rollentransports transportiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Bilden des Verbunds die erste Komponente mit der zweiten Komponente und ggf. einer dritten Komponente stoffschlüssig verbunden werden. Vorzugsweise werden die erste und die zweite Komponente und ggf. dritte Komponente miteinander flächig verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Komponente aus einem aluminium- oder magnesiumhaltigen Material bereitgestellt wird, wobei die erste Komponente und zwei zweite Komponenten in einer Sandwichbauweise zu einem Verbund verbunden werden, wobei die erste Komponente zwischen den zweiten Komponenten angeordnet ist, wobei insbesondere der Verbund mit einem unbeheizten Umformungswerkzeug umgeformt wird. Hierbei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine Umformung dieses Verbunds keines beheizten Umformungswerkzeugs bedarf. Zudem kann auf eine Werkzeugschmierung verzichtet werden. Folge ist, dass der Um- formungsprozess weiter vereinfacht wird und Energie und Verbrauchsmaterialien, wie z. B. ein Werkzeugschmiermittel, gespart werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zwei erste Komponente und die zweite Komponente in der Sandwichbauweise zu einem Verbund verbunden werden, wobei für die zweite Komponente eine Kunststoffmatrix aus einem Thermoplast und Fasern vorzugsweise vom Typ Carbon-Fasern bereitgestellt werden, wobei die zwei die zweite Komponente umgebenden ersten Komponenten aus einem stahl- haltigen Material bereitgestellt werden. Ein solches Formteil eignet sich insbesondere als Halbzeug bei der Fertigung eines Fahrzeugs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Umformungswerkzeug zeitlich nach dem Abkühlen zur Entnahme des Formteils geöffnet wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen verschiedene Verbünde aus einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, für die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils 10' dargestellt. Ein solches Formteil 10' bildet beispielsweise ein Halbzeug, das beispielsweise in einem späteren Fertigungsschritt in einem Fahrzeug -oder anderweitig- verbaut wird, und entsprechend vorgeformt diesem späteren Fertigungsschritt bereitgestellt werden soll. Insbesondere ist hierbei das Formteil 10' als Hybridverbund bzw. als Hybridstruktur vorgesehen, wobei das Formteil einerseits mindestens eine erste Komponente in Form einer Lage 1 1 aus einem metallischen Material, beispielsweise Stahl, Aluminium, Magnesium oder Edelstahl, und andererseits mindestens eine zweite Komponente in Form einer ein- oder mehrschichtigen La- ge 12 aus einem Faser-Kunststoffverbund-System aufweist. Hierbei umfasst der Faser- Kunststoffverbund-System zum einen eine Kunststoffmatrix, z. B. aus einem Thermoplast, wie PA, PE, PAPE, PP oder Vergleichbares, ein Duroplast, ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer und zum anderen in der Kunststoffmatrix gelagerte Fasern, die besonderes bevorzugt zu einem Fasersystem innerhalb der Kunststoffmatrix zusammengefügt sind (konsolidierter Zustand). Als Faser sind Carbon-Fasern, Glasfasern, Naturfasern, Aramidfa- sern, Polymerfasern, Metallfasern, Keramikfasern oder mineralische Fasern vorstellbar. Grundsätzlich können Kurzfasern, Langfaser- oder Endlosfaserverstärkungen zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Fasern ein Fasersystem, beispielsweise in Form eines Gewebes, einer Matte oder Geleges, bilden. Um bei der Herstellung des Formteils 10' eine Taktzeit zur verkürzen, ist es vorgesehen, dass ein Verbund 10 mit mindestens einer ersten Komponente/Lage 1 1 und mindestens einer zweiten Komponente/Lage 12 bereitgestellt wird, anschließend der gebildete Verbund 10 aufgeheizt wird und schließlich in einem Umformungsschritt 4, beispielsweise durch einen Tiefziehprozess, durch ein Rollprofilieren, durch ein Biegen, durch ein Abkanten oder Vergleichbares, mittels eines Umformungswerkzeugs 1 umgeformt wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf einen andernfalls nach der Umformung erfolgenden Fügeprozess, bei dem die erste Komponente/Lage 1 1 aufwendig mit der zweiten Komponente/Lage 12 verbunden wird, verzichtet werden. Um jedoch während des Umformungsschritts 4 des Verbundes 10 eine Zerstörung des Faser- Kunststoffverbund-Systems zu vermeiden, ist es vorgesehen, dass der gebildete Verbund 10 beim Aufheizen 2 auf eine Zieltemperatur erwärmt wird, die oberhalb einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur der Kunststoffmatrix, d. h eines Materials, aus dem die Kunststoffmatrix gefertigt ist, liegt. Dadurch wird der Faser-Kunststoffverbund-System in einen Zustand versetzt, in dem sich eine Viskosität der Kunststoffmatrix einstellt, die eine gleitende Bewegung der Fasern bzw. des Fasersystems innerhalb der Kunststoffmatrix erlaubt. Des Weiteren ist es insbesondere vorgesehen, dass eine Umformgeschwindigkeit, d .h. eine Geschwindigkeit, mit der eine Umformung des Verbunds vollzogen und eine Umformtemperatur wird, u.a. angepasst ist an die Bewegung der Faser in der Kunststoffmatrix, so dass die Fasern bzw. das Fasersystem während des Umformungsschritts umgelegt bzw. drapiert werden können. Hierbei ist das Umformen von Mehrschichtensystemen umfassend mindestens eine erste lagenförmige Komponente aus einem metallischen Material und mindestens eine zweite lagenförmige Komponente aus einem Faser-Kunststoffverbund-System und optional mindestens eine dritte lagenförmige Komponente möglich, insbesondere in Sandwichform. Anschließend wird der umgeformte Verbund im Umformungswerkzeug 1 abgekühlt. Hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass ein vom Umformungswerkzeug 1 , vorzugsweise unbe- heizten Umformungswerkzeug 1 , auf den Verbund 10 wirkender Druck aufrechtgehalten wird, bis der Abkühlprozess beendet ist. Schließlich wird das Umformungswerkzeug 1 zur Entnahme 5 des Formteils geöffnet. Im unteren Teil der Figur 1 ist ein Temperaturverlauf während der einzelnen Verfahrensschritte dargestellt. Hierbei ist es vorgesehen, dass ein Aufheizen 2 des Verbunds 10 zeitlich vor einem Einsetzen 3 des Verbunds 10 in das Umformungswerkzeug 1 erfolgt und das Abkühlen mit dem Schließen des Umformungswerkzeugs 1 beginnt. Sobald eine Temperatur erreicht wird, bei der die Kunststoffmatrix ausgehärtet ist, kann das Umformungswerkzeug 1 wieder geöffnet werden und der geformte Verbund aus dem Umformungswerkzeug 1 entnommen werden.
In den Figuren 2a bis 2d sind verschiedene Verbünde aus einer ersten Komponente in Form einer Lage 1 1 und einer zweiten Komponente in Form einer Lage 12, für die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, dargestellt. Bei der in Figur 2a dargestellten und besonders bevorzugten Variante sind die zweite Komponente/Lage 12 und zwei erste Komponenten/Lagen 1 1 in einer Sandwichbauweise zusammengesetzt, in der die zweite Komponente/Lage 12 zwischen den beiden ersten Komponenten/Lagen 1 1 angeordnet ist, während in der Figur 2b die erste Komponente/Lage 1 1 und zwei zweite Komponenten/Lagen 12 in der Sandwichbauweise zusammengesetzt werden, in der die erste Komponente/Lage 1 1 zwischen den beiden zweiten Komponenten/Lagen 12 angeordnet ist. Insbesondere ist es für die Ausführungsform aus Figur 2a vorgesehen, dass das Umformungswerkzeug 1 vor dem Einlegen des Verbunds 10 erwärmt wird, während es in der Ausführungsform aus der Figur 2b vorstellbar ist, dass der Verbund 10 in einem unbeheizten Umformungswerkzeug 1 erfolgt, wenn als erste Komponente/Lage 1 1 eine aluminium- oder ma- gnesiumhaltige Lage verwendet wird. Bei AI oder Mg als außenliegende Lage (Decklage), ist das Umformwerkzeug beheizt, bei Mg beispielsweise bis ca. 260°C. Bei Mg oder AI als innenliegende Lage (Kernlage) kann, ebenso wie bei Stahl, unabhängig ob es innenliegend oder außenliegend angeordnet ist, ein„kaltes" Umformwerkzeug verwendet werden. Hierbei lässt sich ferner in vorteilhafter Weise auf eine Werkzeugschmierung verzichten. Die Figur 2c stellt ein beispielhaftes Mehrschichtensystem dar, bei dem eine beliebige Anzahl an ersten Komponenten/Lagen 1 1 und zweiten Komponenten/Lagen 12 zum Verbund 10 zusammengefügt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Verbund 10 zur einen Seite mit der ersten Komponente/Lage 1 1 und auf einer der Seite mit der ersten Komponente/Lage 1 1 gegenüberliegend angeordneten anderen Seite mit der zweiten Komponente/Lage 12 abschließt. Ferner ist es vorstellbar, dass bei einem Verbund 10 mit mehreren zweiten Komponenten/Lagen 12 aus unterschiedlichen Faser-Kunststoffverbund-Systemen verwendet werden oder statt einer zweiten Komponente/Lage 12 eine dritte Komponente/Lage in Form einer Kunststofflage, d. h. eine faserfrei bzw. nicht faserverstärkte Kunststofflage, zwischen zwei ersten Komponente/Lagen 1 1 angeordnet ist. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die dritte Komponente/Lage als Koppelschicht zwischen der ersten Komponente/Lage 1 1 und der zweiten Komponente/Lage 12 angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die dritte Lage im Verbund zwischen zwei ersten Komponenten/Lagen 1 1 angeordnet wird. Weiterhin ist als weitere Variante in Figur 2d ein Verbund 10 aus einer einzigen ersten Komponente/Lage 1 1 und einer einzigen zweiten Komponente/Lage 12 dargestellt.
Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Formteilen für den Fahrzeugbau beschränkt.
Bezugszeichenliste
1 Umformungswerkzeug
2 Aufheizen
3 Einlegen
4 Umformungsschritt
5 Entnahme
10 Verbund
10' Formteil
1 1 erste Komponente/Lage
12 zweite Komponente/Lage 100 Zeit
T Temperatur

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Verfahren zur Herstellung eines Formteils (10') aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
— Bereitstellen einer ersten Komponente (1 1 ) aus einem metallischen Material und mindestens einer zweiten Komponente (12) aus einem Faser-Kunststoffverbund-System
— Bilden eines Verbunds (10) umfassend die erste Komponente (1 1 ) und mindestens die zweite Komponente (12)
— Aufheizen (2) des Verbunds (10) auf eine Zieltemperatur, die über einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Kunststoffs liegt,
wobei in einem Umformungsschritt (4) der aufgeheizte Verbund (10) mittels eines Umformungswerkzeugs (1 ) zum Formteil (10') umgeformt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die Fasern im Faser-Kunststoffverbund-System als Fasersystem vorliegen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Komponente (12) vollflächig oder partiell im Verbund (10) vorgesehen ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Drapieren der Fasern oder des Fasersystems in dem aufgeheizten Verbund (10) eine Umformgeschwindigkeit und eine Umformtemperatur im Umformungsschritt (4) angepasst wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der umgeformte Verbund im Umformungswerkzeug (1 ) abgekühlt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Verbund (10) unter Druck im Umformungswerkzeug (1 ) abgekühlt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dritte Komponente aus einem faserfreien Kunststoff bereitgestellt wird, wobei die dritte Komponente zwischen
— zwei ersten Komponenten (1 1 )
— zwei zweiten Komponenten (12) und/oder — der ersten Komponente (1 1 ) und der zweiten Komponente (12) angeordnet wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufheizen (2) mittels eines Durchlaufofens, mittels Induktion, mittels Infrarotlicht und/oder durch Kontakt realisiert wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Bilden des Verbunds die erste Komponente (1 1 ) mit der zweiten Komponente (12) und optional mit einer dritten Komponente stoffschlüssig verbunden wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kompo- nente(1 1 ) aus einem aluminium- oder magnesiumhaltigen Material bereitgestellt wird, wobei die erste Komponente (1 1 ) und zwei zweite Komponenten (12) in einer Sandwichbauweise zu einem Verbund (10) verbunden werden, wobei die erste Komponente (1 1 ) zwischen den zweiten Komponenten (12) angeordnet ist.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Verbund (10) mit einem unbeheizten Umformungswerkzeug (1 ) umgeformt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei erste Komponenten (1 1 ) und die zweite Komponente (12) in der Sandwichbauweise zu einem Verbund (10) verbunden werden, wobei für die zweite Komponente (12) eine Kunststoffmatrix aus einem Thermoplast und Fasern vom Typ Carbon-Fasern bereitgestellt werden, wobei die zwei die zweite Komponente (12) umgebenden ersten Komponenten (1 1 ) aus einem stahlhaltigen Material bereitgestellt werden.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umformungswerkzeug (1 ) zeitlich nach dem Abkühlen zur Entnahme (5) des Formteils (10') geöffnet wird.
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