WO2011095399A1 - Verfahren zum herstellen eines mit aussparung bauteils aus einem organoblech - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines mit aussparung bauteils aus einem organoblech Download PDF

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WO2011095399A1
WO2011095399A1 PCT/EP2011/050755 EP2011050755W WO2011095399A1 WO 2011095399 A1 WO2011095399 A1 WO 2011095399A1 EP 2011050755 W EP2011050755 W EP 2011050755W WO 2011095399 A1 WO2011095399 A1 WO 2011095399A1
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recess
sheet
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matrix
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PCT/EP2011/050755
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Peter Schwarze
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Coburg
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    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from an endless fiber-reinforced thermoplastic material called organic sheet.
  • the organo sheets are plate-shaped, continuous-fiber-reinforced thermoplastics, which consist of a fiber arrangement embedded in a matrix of a thermoplastic.
  • the continuous fibers can be present here as a unidirectional layer, as a woven fabric or as a scrim and are embedded in the matrix.
  • the fibers can be made, for example, from glass, Kevlar or carbon fibers.
  • a thermoplastic material for the matrix is suitable, for example, polyamide, inter alia, due to its good adhesion to the fibers.
  • continuous fiber reinforced it is meant herein that the length of the reinforcing fibers is essentially limited by the size of the fabricated components or the dimensions of the organo sheets used, but within a component or organic sheet a fiber is substantially uninterrupted.
  • Organo-fabricated components are hybrid components that are made of plastic and, compared to components made of sheet metal, are lighter and, at the same time, have high surface stiffness and strength.
  • Components formed from an organic sheet are produced by thermal deformation of the organic sheet. For this purpose, the organic sheet is first heated to melt the matrix of the organic sheet, and then the organo sheet is formed by deep drawing. As deep drawing is conventionally called the Switzerlandpecializingumformen a (sheet) blank in a one-sided open hollow body.
  • thermoforming can be subdivided into thermoforming with molding tools (using a so-called drawing ring, punch and blank holder), deep drawing with active media (eg gases or liquids) and deep drawing with active energy (eg high-speed forming).
  • molding tools using a so-called drawing ring, punch and blank holder
  • active media eg gases or liquids
  • active energy eg high-speed forming
  • Organic sheets can be thermoformed (thermoformed) as long as the thermoplastic resin matrix is in a molten (or substantially molten) state. By deep-drawing the organic sheet gets its desired shape by the mold is impressed, for example by pressing in a tool.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a component from an organic sheet with which recesses can be easily introduced into an organic sheet without destroying the structure of the reinforcing fibers. This object is achieved by an article having the features of claim 1.
  • the fiber arrangement of the organic sheet is widened to form a recess in the component by a molding is inserted at the location of the recess to be formed in the organic sheet.
  • the molding is inserted perpendicular or almost perpendicular to a surface of the sheet extending organo sheet in the organic sheet, the fiber assembly can be expanded.
  • the molded part is pressed into the organic sheet at the location of the recess to be formed, thereby penetrating between the individual fibers of the fiber arrangement and expands them locally at the location of the recess.
  • the molded part thus penetrates through the organic sheet and opens the organic sheet locally, so that there is an opening in the organic sheet.
  • the recess can be formed during or after the thermoforming of the organic sheet by the molding is inserted during thermal forming or after the thermal forming in the organic sheet for expanding the fiber assembly.
  • the molded part is inserted into the organic sheet, while the matrix is (still) in a molten state during or immediately after the thermal forming.
  • the organic sheet is in a heated state, in which the matrix is (largely) melted, so that the organic sheet is malleable and can be deep-drawn.
  • recesses can be formed by inserting one or more molded parts in the organic sheet then, the recesses, for example, in direct connection to the thermal forming still within the tool with which the organic sheet has been thermally formed, can be generated.
  • the result is a manufacturing process in which the organic sheet is thermoformed in one operation and recesses are formed at the desired locations by expanding the fiber assembly in the (still) molten matrix in direct connection.
  • the fibers embedded in the matrix can move comparatively easily and in particular slide in the direction of their longitudinal extent so that the fiber arrangement can be widened in an easy manner at the location of the recess. Due to the fact that the matrix is generally molten, largely liquid Condition is located, recesses can be created with a comparatively large diameter.
  • the recess is produced after the thermal forming and after cooling of the matrix of the organic sheet by bringing the molding to an elevated temperature for melting the matrix and inserting it into the organic sheet.
  • the matrix of the organic sheet is cold-melted in the cold state, to allow a local expansion of the fiber assembly of the organic sheet.
  • the molded part is heated, either by a heater associated with the molding for heating the molding or by heating with a heater separate from the molding, and the hot molding is attached to the (cooled) organic sheet.
  • the matrix of the organic sheet Upon contact with the molded part, the matrix of the organic sheet is melted, so that in the local region of the recess to be formed, the fiber arrangement can be widened, wherein the matrix remains outside the local area of the recess in a cooled state.
  • Advantage of this variant is that even later, so after the thermoforming of the organic sheet, still recesses can be introduced. Since the cooled matrix embeds and thus rigidly surrounds the fiber arrangement in large areas of the organic sheet, only recesses with a comparatively small diameter can be created.
  • the fibers are locally expanded during insertion of the molding into the organic sheet and thus changed locally in their arrangement.
  • the integrity of the individual fibers is maintained in the region of the recess, since the widening avoids destruction of the fibers and thus interruption of the fibers in the region of the recess.
  • the rigidity and strength of the component is thus not (or only slightly) reduced in the area of the recess; there is no (or only to a negligible) material weakening.
  • forces that are introduced in the region of the recess in the component (for example, when the recess serves as a bearing), are introduced into the organo sheet in a favorable manner and recorded there.
  • the molding may advantageously be formed in the manner of a needle with a pointed head, wherein the molded part is inserted with the pointed head for expanding the fiber assembly in the organic sheet such that the molding penetrates with its pointed head between the fibers of the fiber assembly and this expands locally ,
  • the molded part can be present as a separate, for example heatable, tool with which recesses can be introduced into an organic sheet in a flexible manner. It is also conceivable that the molding is part of a parent tool, for example, for thermal deformation of the organic sheet and allows the introduction of recesses already in the thermal deformation process.
  • plastic can be molded in the recess of the organic sheet in a further step during or after formation of the recess.
  • a passage formed or the fiber assembly with its running around the recess fibers are embedded around the hole in plastic.
  • plastic can be molded in an annular manner around the recess, wherein the organic sheet in the region of the recess should not be completely cooled or reheated to achieve a material connection of the molded plastic with the organic sheet.
  • a further method step it is also possible to inject further parts such as ribs or stiffeners or other functional components such as brackets, guides or other components to the organic sheet to create integrated, hybrid components, for example, for use in a vehicle door or a vehicle seat.
  • further parts such as ribs or stiffeners or other functional components such as brackets, guides or other components
  • ribs or stiffeners By sprinkling the ribs or stiffeners, it is in particular possible to produce a rib structure, by means of which the strength and connection stiffness of the manufactured component can be further improved.
  • the present invention relates in particular to the production of components for use in motor vehicles, for example seat parts, parts of a vehicle door or a door module, trim parts or body parts.
  • the use of the invention is fundamentally but not limited to vehicle construction, but can be done anywhere where lightweight components are required with a high surface rigidity and strength.
  • FIG. 1 is a perspective, schematic view of a detail of a
  • FIG. 2 is a perspective, schematic view of a section of FIG.
  • a fiber assembly 10 of fibers such as glass, Kevlar or carbon fibers, in a matrix 1 1 of a thermoplastic material, for. As polyamide embedded.
  • the fibers referred to as continuous fibers due to their continuous course in the organic sheet 1, can here be classified as a unidirectional layer, as a fabric or as a scrim, are completely surrounded by the matrix 1 1 and connected to this to the sheet-like organic sheet 1.
  • Organo sheets 1 are used for the production of plastic components which, compared with components made of metal sheets, have a light weight and at the same time high surface rigidity and strength.
  • Organo sheets 1 can be changed in their shape by thermal forming, also referred to as deep drawing. In this way, components can be produced, which can be used in particular for vehicles, for example as parts of vehicle doors or vehicle seats or as trim parts or body parts due to their light weight and high strength.
  • the organic sheet 1 is formed by a fiber assembly 10 in the manner of a fabric with horizontally and vertically extending fiber webs 101, 102, in principle, other fiber arrangements, for example, oriented in a uniform direction fibers can be used and in the frame of the present invention.
  • recesses 2 for forming passages or bearing points on a component.
  • such recesses 2 are introduced by drilling or punching in the organic sheet 1, usually after the organic sheet 1 has cooled after the thermal deformation.
  • the introduction of such recesses 2 by drilling or punching causes the fiber webs 101, 102 to be interrupted, ie the fibers are destroyed at least locally in the region of the recess 2 and the fiber structure is thereby weakened. This can lead to the fact that the strength and rigidity of a component formed from an organic sheet 1 in the region of recesses 2 is reduced.
  • a method is provided with which recesses 2 can be introduced into organic sheets 1 without destroying the embedded fibers.
  • the formation of a recess 2 the fiber assembly 10 of the organic sheet 1 is locally expanded by a molded part 3, as shown in Fig. 2, is inserted at the location of the recess 2 to be formed in the organic sheet 1.
  • the molded part 3 is designed in the manner of a needle with a pointed head 30.
  • the molded part 3 is attached to the organo sheet 1 for expanding the fiber assembly 10 with the pointed head 30 and inserted in a direction substantially perpendicular to the surface of the organic sheet 1 in the organic sheet 1.
  • the insertion takes place while the matrix 1 1 embedding the fiber arrangement 10 is at least locally in a (at least largely) molten state, so that the fibers of the fiber arrangement 10 can move at least locally in the area of the recess 2 and the fiber arrangement 10 in the area the recess 2 can be expanded.
  • Two variants for the introduction of a recess 2 are conceivable and possible.
  • the molded part 3 can be inserted into the organic sheet 1, while the matrix 1 1 is in a molten state as a whole. This is for example at or immediately after the thermal forming of the case. For example, it is conceivable that the introduction of recesses 2 in direct connection to the thermal forming even before cooling the matrix 1 1 make.
  • recesses 2 can be created with a comparatively large diameter, since a wide expansion of the fiber assembly 10 is possible due to the fact that the fibers of the fiber assembly 10 in the matrix 1 1 are movable and can slide in particular along its longitudinal direction, if 10 tensile forces act on them by the expansion of the fiber assembly.
  • the introduction of the recesses 2 can in this case take place in the same tool as the thermal forming, wherein the molded part 3 may be part of this tool.
  • the matrix 1 1 is locally melted in the region of the recess 2, for example by the molded part 3 is heated and is applied to the organic sheet 1 in a hot state.
  • the matrix 1 1 made of a thermoplastic material is thus locally melted via the molded part 3 so that the fiber arrangement 10 can be locally widened in the region of the recess 2. Due to the fact that the matrix 1 1 is melted only locally but not in areas outside the area surrounding the recess 2, recesses 2 with a comparatively small diameter can be produced, since the fiber arrangement 10 is held rigid in areas remote from the location of the recess 2 ,
  • the molded part 3 may have a heating device which heats the molded part 3 and is connected to the molded part 3 (for example, a heating wire which heats the molded part 3). It is also conceivable, however, to heat the molded part 3 by a separate heating device (eg, an oven or the like) separate from the molded part 3 and to apply it to the matrix 1 1 in a heated state. It is also conceivable to locally melt the matrix 1 1 not via the molded part 3, but rather through a heater directly melting the matrix 1 1, in order then to set the molded part 3 and to form the recess 2.
  • a heating device which heats the molded part 3 and is connected to the molded part 3
  • a separate heating device eg, an oven or the like
  • plastic can be injection-molded in a ring around the recess 2, in order to completely embed the compacted fibers running around the recess 2 in the region of the edge of the recess 2 in plastic or even around the recess For example, reinforce education of a passage or a depository in its periphery.
  • Fig. 2 Shown in Fig. 2 is a recess 2 on both sides of the organic sheet 1 annular surrounding passage 12th
  • the injection molding of the additional plastic should advantageously be done with (still) molten or at least warm matrix 1 1, so that there is an advantageous cohesive connection of the molded plastic with the matrix 1 1 with favorable adhesive properties.
  • the fibers of the fiber arrangement 10 are widened without destruction, so that the fibers in the region of the recess 2 are not interrupted and the strength and rigidity of the organic sheet 1 also in the region of the introduced recess 2 in FIG Essentially preserved.
  • a further step further parts can then be sprayed by the organo sheet 1 and the molded component thereof is heated to just below the melting point of the matrix 1 1, placed in an injection mold and molded, z. B. to form ribs and stiffeners to the component at selected points.
  • the organic sheet 1 is preheated, results in good adhesion of the molded parts to the organic sheet 1 due to the cohesive connection produced.
  • the idea underlying the invention is not limited to the above-described embodiments.
  • basically any shaped recesses can be formed by inserting a suitable molding in an at least partially melted organo sheet. In this way, not only round holes, but also, for example, slots or any other openings can be formed.
  • the invention described is advantageously used for the production of components for vehicle construction. Basically, the invention is not limited to such use, but can also find use in entirely different areas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus einer in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteten Faseranordnung, wobei zur Herstellung des Bauteils das Organoblech thermisch umgeformt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer Aussparung (2) in dem Bauteil die Faseranordnung (10) des Organoblechs (1) aufgeweitet wird, indem ein Formteil (3) am Ort der zu bildenden Aussparung (2) in das Organoblech (1) eingeschoben wird. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Organoblech geschaffen, mit dem in einfacher Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können, ohne die Struktur der verstärkenden Fasern zu zerstören.

Description

VERFAHREN UM HERSTELLEN EINES MIT AUSSPARUNG BAUTEILS AUS EINEM ORGANOBLECH
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff.
Als Organobleche werden plattenförmig vorliegende, endlosfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe bezeichnet, die aus einer in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteten Faseranordnung bestehen. Die Endlosfasern können hierbei als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder auch als Gelege vorliegen und sind in die Matrix eingebettet. Die Fasern können beispielsweise aus Glas-, Kevlar- oder Kohlefasern hergestellt sein. Als thermoplastischer Kunststoff für die Matrix eignet sich zum Beispiel Polyamid, unter anderem aufgrund seiner guten Haftungseigenschaften zu den Fasern.
Unter„endlosfaserverstärkt" ist hier zu verstehen, dass die Länge der zur Verstärkung dienenden Fasern im Wesentlichen durch die Größe der hergestellten Bauteile oder die Abmessungen verwendeter Organobleche begrenzt ist, innerhalb eines Bauteils oder Organoblechs eine Faser aber im Wesentlichen nicht unterbrochen ist. Aus Organoblech hergestellte Bauteile sind Hybridbauteile, die aus Kunststoff bestehen und, verglichen mit aus Metallblechen hergestellten Bauteilen, leichter sind und gleichzeitig eine hohe Flächensteifigkeit und Festigkeiten aufweisen. Aus einem Organoblech gebildete Bauteile werden durch thermische Umformung des Organoblechs hergestellt. Dazu wird das Organoblech zunächst erhitzt, um die Matrix des Organoblechs aufzuschmelzen, und anschließend wird das Organoblech durch Tiefziehen umgeformt. Als Tiefziehen wird herkömmlich das Zugdruckumformen eines (Blech-)Zuschnitts in einen einseitig offenen Hohlkörper bezeichnet. Als Tiefziehen wird in diesem Zusammenhang auch das thermische Umformen von Kunststoffen bezeichnet. Grundsätzlich lässt sich das Tiefziehen dabei unterteilen in das Tiefziehen mit Formwerkzeugen (unter Verwendung eines so genannten Ziehrings, Stempels und Blechhalters), das Tiefziehen mit Wirkmedien (z. B. Gase oder Flüssigkeiten) und das Tiefziehen mit Wirkenergie (z. B. Hochgeschwindigkeitsumformen).
Organobleche können tiefgezogen (also thermisch umgeformt) werden, solange sich die Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff in einem geschmolzenen (oder weitestgehend geschmolzenen) Zustand befindet. Durch das Tiefziehen erhält das Organoblech seine gewünschte Form, indem die Form beispielsweise durch Pressen in einem Werkzeug aufgeprägt wird.
Zur Herstellung von Bauteilen kann erforderlich sein, Aussparungen beispielsweise in Form von Durchzügen oder Öffnungen vorzusehen, die in das Organoblech eingebracht werden müssen. Bringt man diese Aussparungen nach dem Tiefziehen im erkalteten Zustand in das Organoblech ein, beispielsweise durch Bohren oder Stanzen des Organoblechs, so wird an dem Ort der Aussparung die Struktur der verstärkenden Fasern zerstört, was zu einer Materialschwächung an der Aussparung und um die Aussparung herum führen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Organoblech bereitzustellen, mit dem in einfacher Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können, ohne die Struktur der verstärkenden Fasern zu zerstören. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer Aussparung in dem Bauteil die Faseranordnung des Organoblechs aufgeweitet wird, indem ein Formteil am Ort der zu bildenden Aussparung in das Organoblech eingeschoben wird. Dadurch, dass das Formteil senkrecht oder nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des sich flächig erstreckenden Organoblechs in das Organoblech eingeschoben wird, kann die Faseranordnung aufgeweitet werden. Das Formteil wird am Ort der zu bildenden Aussparung in das Organoblech hineingedrückt, dringt dadurch zwischen die einzelnen Fasern der Faseranordnung und weitet diese lokal am Ort der Aussparung auf. Das Formteil dringt somit durch das Organoblech hindurch und öffnet das Organoblech lokal, so dass sich eine Öffnung im Organoblech ergibt.
Grundlegend kann die Aussparung während des oder nach dem thermischen Umformen des Organoblechs gebildet werden, indem das Formteil beim thermischen Umformen oder nach dem thermischen Umformen in das Organoblech zum Aufweiten der Faseranordnung eingeschoben wird.
In einer ersten Variante wird hierbei das Formteil in das Organoblech eingeschoben, während sich die Matrix beim oder unmittelbar nach dem thermischen Umformen (noch) in einem geschmolzenen Zustand befindet. Beim thermischen Umformen befindet sich das Organoblech in einem erhitzten Zustand, in dem die Matrix (weitestgehend) aufgeschmolzen ist, so dass das Organoblech formbar ist und tiefgezogen werden kann. Beim Tiefziehen oder unmittelbar danach können durch Einstecken eines oder mehrerer Formteile in das Organoblech dann Aussparungen geformt werden, wobei die Aussparungen beispielsweise in direktem Anschluss an das thermische Umformen noch innerhalb des Werkzeugs, mit dem das Organoblech thermisch umgeformt worden ist, erzeugt werden können. Es ergibt sich ein Fertigungsprozess, bei dem in einem Arbeitsgang das Organoblech thermisch umgeformt wird und in direktem Anschluss Aussparungen an den gewünschten Orten durch Aufweiten der Faseranordnung in der (noch) geschmolzenen Matrix gebildet werden.
Dadurch, dass die Matrix des Organoblechs zumindest teilweise noch geschmolzen und damit flüssig ist, können sich die in der Matrix eingebetteten Fasern vergleichsweise leicht bewegen und insbesondere in Richtung ihrer Längserstreckung gleiten, so dass die Faseranordnung am Ort der Aussparung in leichter Weise aufgeweitet werden kann. Dadurch, dass die Matrix sich insgesamt in geschmolzenem, weitestgehend flüssigem Zustand befindet, können Aussparungen mit vergleichsweise großem Durchmesser geschaffen werden.
In einer zweiten Variante wird die Aussparung nach dem thermischen Umformen und nach Erkalten der Matrix des Organoblechs erzeugt, indem das Formteil zum Aufschmelzen der Matrix auf eine erhöhte Temperatur gebracht und in das Organoblech eingeschoben wird. Bei dieser Variante wird die Matrix des Organoblechs in erkaltetem Zustand lokal aufgeschmolzen, um ein lokales Aufweiten der Faseranordnung des Organoblechs zu ermöglichen. Hierzu wird das Formteil erhitzt, entweder durch eine dem Formteil zugehörige Heizvorrichtung zum Beheizen des Formteils oder durch Erhitzen mit einer vom Formteil separaten Heizvorrichtung, und das heiße Formteil wird an das (erkaltete) Organoblech angesetzt. Bei Kontakt mit dem Formteil wird die Matrix des Organoblechs aufgeschmolzen, so dass im lokalen Bereich der zu bildenden Aussparung die Faseranordnung aufgeweitet werden kann, wobei die Matrix außerhalb des lokalen Bereichs der Aussparung in erkaltetem Zustand verbleibt. Vorteil dieser Variante ist, dass auch nachträglich, also nach dem thermischen Umformen des Organoblechs, noch Aussparungen eingebracht werden können. Da die erkaltete Matrix in weiten Bereichen des Organoblechs die Faseranordnung einbettet und damit starr umgibt, können nur Aussparungen mit vergleichsweise kleinem Durchmesser geschaffen werden.
Unabhängig von der verwendeten Variante werden beim Einschieben des Formteils in das Organoblech die Fasern lokal aufgeweitet und damit lokal in ihrer Anordnung verändert. Die Integrität der einzelnen Fasern bleibt dabei im Bereich der Aussparung erhalten, da durch das Aufweiten eine Zerstörung der Fasern und damit eine Unterbrechung der Fasern im Bereich der Aussparung vermieden werden. Die Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils wird damit auch im Bereich der Aussparung nicht (oder nur unwesentlich) herabgesetzt; es kommt zu keiner (oder nur zu einer unwesentlichen) Materialschwächung. Darüber hinaus können Kräfte, die im Bereich der Aussparung in das Bauteil eingeleitet werden (beispielsweise wenn die Aussparung als Lagerstelle dient), in günstiger Weise in das Organoblech eingeleitet und dort aufgenommen werden.
Denkbar und möglich in diesem Zusammenhang ist auch, unterschiedliche Aussparungen zur Schaffung von Öffnungen oder Durchzügen zu unterschiedlichen Zeiten in einer Prozesskette bei der Verarbeitung von Organoblechen in das Organoblech einzubringen. Beispielsweise kann eine Anzahl von Aussparungen bereits unmittelbar bei oder unmittelbar nach dem thermischen Umformen in das Organoblech eingebracht werden. Ein weiterer Teil der Aussparungen kann dann zu einem späteren Zeitpunkt nach Erkalten des Organoblechs gebildet werden. Der Ablauf von Fertigungsschritten kann auf diese Weise optimiert und einzelne Aussparungen können in flexibler Weise auch zu einem späteren Zeitpunkt noch eingebracht werden.
Das Formteil kann vorteilhafterweise nach Art einer Nadel mit einem spitzen Kopf ausgebildet sein, wobei das Formteil mit dem spitzen Kopf zum Aufweiten der Faseranordnung derart in das Organoblech eingeschoben wird, dass das Formteil mit seinem spitzen Kopf zwischen die Fasern der Faseranordnung dringt und diese lokal aufweitet. Das Formteil kann dabei als separates, beispielsweise beheizbares Werkzeug vorliegen, mit dem in flexibler Weise Aussparungen in ein Organoblech eingebracht werden können. Denkbar ist aber auch, dass das Formteil Bestandteil eines übergeordneten Werkzeugs beispielsweise zur thermischen Umformung des Organoblechs ist und das Einbringen von Aussparungen bereits beim thermischen Umformungsprozess ermöglicht.
Zur weiteren Bearbeitung der Aussparung beispielsweise zur Schaffung eines Durchzugs oder zur Formung einer Lagerstelle oder dergleichen kann in einem weiteren Verfahrensschritt während oder nach Bildung der Aussparung Kunststoff im Bereich der Aussparung an das Organoblech angespritzt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Durchzug gebildet oder auch die Faseranordnung mit ihren um die Aussparung verlaufenden Fasern um das Loch herum in Kunststoff eingebettet werden. Hierzu kann Kunststoff ringförmig um die Aussparung herum angespritzt werden, wobei das Organoblech im Bereich der Aussparung noch nicht vollständig erkaltet oder erneut erwärmt werden sollte, um eine stoffschlüssige Verbindung des angespritzten Kunststoffs mit dem Organoblech zu erreichen.
In einem weiteren Verfahrensschritt ist es auch möglich, weitere Teile wie Verrippungen oder Versteifungen oder auch andere Funktionskomponenten wie Halterungen, Führungen oder andere Bauteile an das Organoblech anzuspritzen, um integrierte, hybride Bauteile beispielsweise zur Verwendung in eine Fahrzeugtür oder einem Fahrzeugsitz zu schaffen. Durch Anspritzen der Verrippungen oder Versteifungen ist es insbesondere möglich, eine Rippenstruktur zu erzeugen, durch die die Festigkeit und Verbindungssteifigkeit des hergestellten Bauteils weiter verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Bauteilen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise Sitzteile, Teile einer Fahrzeugtür oder eines Türmoduls, Verkleidungsteile oder Karosserieteile. Der Einsatz der Erfindung ist grundlegend aber nicht auf den Fahrzeugbau beschränkt, sondern kann überall dort erfolgen, wo leichtgewichtige Bauteile mit einer hohe Flächensteifigkeit und Festigkeit erforderlich sind.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, schematische Ansicht eines Ausschnitts eines
Organoblechs mit einer Faseranordnung in Form eines Gewebes, das in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet ist, mit einer darin angeordneten Aussparung, hergestellt mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 eine perspektivische, schematische Ansicht eines Ausschnitts eines
Organoblechs mit einer darin angeordneten Aussparung, hergestellt durch ein die vorliegende Erfindung verwirklichendes Verfahren.
Bei einem Organoblech 1 , dargestellt in einer beispielhaften Ausführungsform in Fig. 1 , ist eine Faseranordnung 10 aus Fasern, beispielsweise Glas-, Kevlar- oder Kohlefasern, in einer Matrix 1 1 aus einem thermoplastischen Kunststoff, z. B. Polyamid, eingebettet. Die Fasern, aufgrund ihres durchgehenden Verlaufs im Organoblech 1 auch als Endlosfasern bezeichnet, können hierbei als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder auch als Gelege geordnet sein, sind vollständig von der Matrix 1 1 umgeben und über diese zu dem flächigen Organoblech 1 miteinander verbunden.
Organobleche 1 dienen zur Herstellung von Kunststoffbauteilen, die, verglichen mit aus Metallblechen hergestellten Bauteilen, ein leichtes Gewicht bei gleichzeitig hoher Flächensteifigkeit und Festigkeit aufweisen.
Organobleche 1 können durch thermisches Umformen, auch als Tiefziehen bezeichnet, in ihrer Formgebung verändert werden. Auf diese Weise können Bauteile hergestellt werden, die aufgrund ihres leichten Gewichtes und ihrer hohen Festigkeit insbesondere bei Fahrzeugen, beispielsweise als Teile von Fahrzeugtüren oder Fahrzeugsitzen oder als Verkleidungsteile oder Karosserieteile eingesetzt werden können. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Organoblech 1 durch eine Faseranordnung 10 nach Art eines Gewebes mit horizontal und vertikal verlaufenden Faserbahnen 101 , 102 gebildet, wobei grundsätzlich auch andere Faseranordnungen, beispielsweise in eine einheitliche Richtung orientierte Fasern verwendet werden können und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Bei aus einem Organoblech 1 hergestellten Bauteilen kann es erforderlich sein, Aussparungen 2 zur Bildung von Durchzügen oder Lagerstellen an einem Bauteil vorzusehen. Herkömmlich werden solche Aussparungen 2 durch Bohren oder Stanzen in das Organoblech 1 eingebracht, in der Regel nachdem das Organoblech 1 nach dem thermischen Umformen erkaltet ist. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, führt das Einbringen von derartigen Aussparungen 2 durch Bohren oder Stanzen dazu, dass die Faserbahnen 101 , 102 unterbrochen werden, die Fasern also zumindest lokal im Bereich der Aussparung 2 zerstört und die Faserstruktur damit geschwächt wird. Dies kann dazu führen, dass die Festigkeit und Steifigkeit eines aus einem Organoblech 1 gebildeten Bauteils im Bereich von Aussparungen 2 herabgesetzt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem Aussparungen 2 in Organobleche 1 eingebracht werden können, ohne die eingebetteten Fasern zu zerstören. Hierzu ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer Aussparung 2 die Faseranordnung 10 des Organoblechs 1 lokal aufgeweitet wird, indem ein Formteil 3, wie in Fig. 2 dargestellt, am Ort der zu bildenden Aussparung 2 in das Organoblech 1 eingeschoben wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das Formteil 3 nach Art einer Nadel mit einem spitzen Kopf 30 ausgebildet. Das Formteil 3 wird zum Aufweiten der Faseranordnung 10 mit dem spitzen Kopf 30 an das Organoblech 1 angesetzt und in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Organoblechs 1 in das Organoblech 1 eingeschoben. Das Einschieben erfolgt dabei, während die die Faseranordnung 10 einbettende Matrix 1 1 sich zumindest lokal in einem (zumindest weitestgehend) geschmolzenen Zustand befindet, so dass sich die Fasern der Faseranordnung 10 zumindest lokal im Bereich der Aussparung 2 bewegen können und die Faseranordnung 10 im Bereich der Aussparung 2 aufgeweitet werden kann. Zwei Varianten für das Einbringen einer Aussparung 2 sind hierbei denkbar und möglich. Zum einen kann das Formteil 3 in das Organoblech 1 eingeschoben werden, während sich die Matrix 1 1 insgesamt in geschmolzenem Zustand befindet. Dies ist beispielsweise bei oder unmittelbar nach dem thermischen Umformen der Fall. Beispielsweise ist hierbei denkbar, dass Einbringen von Aussparungen 2 in direktem Anschluss an das thermische Umformen noch vor Erkalten der Matrix 1 1 vorzunehmen. Vorteil hierbei ist, dass Aussparungen 2 mit vergleichsweise großem Durchmesser geschaffen werden können, da eine weite Aufweitung der Faseranordnung 10 möglich ist, bedingt dadurch, dass die Fasern der Faseranordnung 10 in der Matrix 1 1 beweglich sind und insbesondere entlang ihrer Längserstreckungsrichtung gleiten können, wenn durch das Aufweiten der Faseranordnung 10 Zugkräfte auf sie wirken. Das Einbringen der Aussparungen 2 kann hierbei im selben Werkzeug wie das thermische Umformen erfolgen, wobei das Formteil 3 Bestandteil dieses Werkzeugs sein kann.
In einer zweiten Variante ist auch denkbar, Aussparungen 2 nachträglich nach Erkalten der Matrix 1 1 und damit bei starrer Einbettung der Faseranordnung 10 vorzunehmen. Hierzu wird die Matrix 1 1 lokal im Bereich der Aussparung 2 aufgeschmolzen, indem beispielsweise das Formteil 3 erhitzt und in heißem Zustand an das Organoblech 1 angesetzt wird. Über das Formteil 3 wird damit die aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Matrix 1 1 lokal aufgeschmolzen, so dass die Faseranordnung 10 im Bereich der Aussparung 2 lokal aufgeweitet werden kann. Dadurch, dass die Matrix 1 1 nur lokal, nicht aber in Bereichen au ßerhalb des die Aussparung 2 umgebenden Bereichs aufgeschmolzen wird, können Aussparungen 2 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser erzeugt werden, da die Faseranordnung 10 in vom Ort der Aussparung 2 entfernten Bereichen starr gehalten wird.
Zum lokalen Aufschmelzen der Matrix 1 1 kann das Formteil 3 eine Heizvorrichtung aufweisen, die das Formteil 3 beheizt und mit dem Formteil 3 verbunden ist (beispielsweise ein das Formteil 3 beheizender Heizdraht). Denkbar ist aber auch, das Formteil 3 durch eine separate, vom Formteil 3 getrennte Heizvorrichtung (z. B. ein Ofen oder dergleichen) zu erhitzen und in erhitztem Zustand an die Matrix 1 1 anzusetzen. Denkbar ist auch, die Matrix 1 1 nicht über das Formteil 3, sondern durch eine die Matrix 1 1 direkt aufschmelzende Heizvorrichtung lokal aufzuschmelzen, um dann das Formteil 3 anzusetzen und die Aussparung 2 zu bilden.
Nach Einbringen der Aussparung 2 kann in einem weiteren Verfahrensschritt Kunststoff ringförmig um die Aussparung 2 angespritzt werden, um die um die Aussparung 2 bündelartig herumlaufenden, verdichteten Fasern im Bereich des Randes der Aussparung 2 vollständig in Kunststoff einzubetten oder auch um die Aussparung zur Bildung beispielsweise eines Durchzugs oder einer Lagerstelle in ihrem Randbereich zu verstärken.
Dargestellt ist in Fig. 2 ein die Aussparung 2 beidseitig des Organoblechs 1 ringförmig umgebender Durchzug 12.
Das Anspritzen des zusätzlichen Kunststoffs sollte vorteilhafterweise bei (noch) geschmolzener oder zumindest warmer Matrix 1 1 erfolgen, damit sich eine vorteilhafte stoffschlüssige Verbindung des angespritzten Kunststoffs mit der Matrix 1 1 mit günstigen Hafteigenschaften ergibt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden bei Bildung der Aussparung 2 die Fasern der Faseranordnung 10 zerstörungsfrei aufgeweitet, so dass die Fasern im Bereich der Aussparung 2 nicht unterbrochen werden und die Festigkeit und Steifigkeit des Organoblechs 1 auch im Bereich der eingebrachten Aussparung 2 im Wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch, dass die Fasern sich umlaufend um die Aussparung 2 erstrecken und damit die Aussparung 2 bündelartig umgeben, können zudem Kräfte in günstiger Weise eingeleitet und im Organoblech 1 aufgenommen werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Aussparung 2 zur Bildung einer Lagerstelle dienen soll.
In vorteilhafter Weise ist auch möglich, die oben beschriebenen Varianten miteinander zu kombinieren, d. h. zum einen Aussparungen 2 bereits während des thermischen Umformens des Organoblechs 1 einzubringen, zum anderen aber auch weitere Aussparungen 2 erst nachträglich bei bereits erkaltetem Organoblech 1 einzuformen. Auf diese Weise können unterschiedliche Aussparungen 2 zu unterschiedlichen Zeiten eingebracht werden, was eine Optimierung des Fertigungsablaufs und beispielsweise auch ein nachträgliches Einbringen von Aussparungen 2 ermöglicht, nachdem ein zu fertigendes Bauteil bereits fertig gestellt und gegebenenfalls sogar bereits montiert ist.
In einem weiteren Arbeitsschritt können anschließend auch weitere Teile angespritzt werden, indem das Organoblech 1 bzw. das daraus geformte Bauteil bis kurz unter den Schmelzpunkt der Matrix 1 1 erwärmt, in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und umspritzt wird, z. B. um an ausgewählten Stellen Verrippungen und Versteifungen an das Bauteil anzuformen. Weil das Organoblech 1 vorgewärmt ist, ergibt sich aufgrund der erzeugten stoffschlüssigen Verbindung eine gute Haftung der angespritzten Teile zum Organoblech 1 . Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können in der beschriebenen Weise grundsätzlich beliebig geformte Aussparungen durch Einschieben eines geeigneten Formteils in ein zumindest teilweise aufgeschmolzenes Organoblech eingeformt werden. Auf diese Weise können nicht nur runde Löcher, sondern beispielsweise auch Schlitze oder beliebige andere Öffnungen gebildet werden.
Zwar ist die beschriebene Erfindung in vorteilhafter Weise zur Herstellung von Bauteilen für den Fahrzeugbau einsetzbar. Grundlegend ist die Erfindung aber nicht auf einen solchen Einsatz beschränkt, sondern kann auch in gänzlich anderen Gebieten Verwendung finden.
Bezugszeichenliste
1 Organoblech
10 Fasergewebe
101 , 102 Faserbahn
1 1 Matrix
12 Ring
2 Aussparung
3 Formteil
30 Kopf

Claims

Patentansprüche
1 Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus einer in eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteten Faseranordnung, wobei zur Herstellung des Bauteils das Organoblech thermisch umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Aussparung (2) in dem Bauteil die Faseranordnung (10) des Organoblechs (1 ) aufgeweitet wird, indem ein Formteil (3) am Ort der zu bildenden Aussparung (2) in das Organoblech (1 ) eingeschoben wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3) senkrecht oder nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des sich flächig erstreckenden Organoblechs (1 ) in das Organoblech (1 ) derart eingeschoben wird, dass sich eine das Organoblech (1 ) durchdringende Aussparung (2) ergibt.
3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3) beim thermischen Umformen oder nach dem thermischen Umformen in das Organoblech (1 ) eingeschoben wird.
4 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3) in das Organoblech (1 ) eingeschoben wird, während sich die Matrix (10) in einem geschmolzenen Zustand befindet.
5 Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (2) in direktem Anschluss an das thermische Umformen innerhalb des Werkzeugs, mit dem das Organoblech (1 ) thermisch umgeformt worden ist, erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (2) nach dem thermischen Umformen und nach Erkalten des Organoblechs (1 ) erzeugt wird, wobei das Formteil (3) zum Aufschmelzen der Matrix (1 1 ) des Organoblechs (1 ) auf eine erhöhte Temperatur gebracht und in das Organoblech (1 ) eingeschoben wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3) einen spitzen Kopf (31 ) aufweist und das Formteil (3) mit dem spitzen Kopf (31 ) in das Organoblech (1 ) eingeschoben wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt während oder nach Bildung der Aussparung (2) Kunststoff im Bereich der Aussparung (2) an das Organoblech (1 ) zur Bildung eines Durchzugs und/oder zur Einbettung der im Bereich der Aussparung (2) aufgeweiteten Faseranordnung (10) angespritzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt weitere Teile wie Versteifungsrippen oder andere Funktionskomponenten an das Organoblech (1 ) angespritzt werden.
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