DE102014012776A1 - Method for producing a three-dimensional fiber-reinforced plastic composite component and motor vehicle component produced therewith - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen bzw. räumlichen Faserkunststoffverbund-Bauteils (100) mit den Schritten: – Erzeugen von Zuschnitten mit verschiedenen Schnittmustern aus einem UD-Halbzeug mit thermoplastischer Kunststoffmatrix; – lastgerechtes Anordnen der Zuschnitte, wobei wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Zuschnittstapel (10, 20) gebildet werden; – Erzeugen einer Oberschale und einer Unterschale, wozu an den ersten Zuschnittstapel (10) und an den zweiten Zuschnittstapel (20) aus einem mit Kurzfasern verstärktem Kunststoffmaterial eine Rippenstruktur (161/162) und eine Umfangszarge (151/152) angespritzt werden; – Fügen von Oberschale und Unterschale, wobei diese an ihren Rippenstrukturen (161/162) und Umfangszargen (151/152) stoffschlüssig gefügt werden (190) und dabei eine umlaufend geschlossene Seitenwandung gebildet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein hiermit hergestelltes Faserkunststoffverbund-Kraftfahrzeugbauteil (100).The invention relates to a method for producing a three-dimensional or spatial fiber-plastic composite component (100) with the steps: - producing blanks with different patterns from a UD semi-finished product with a thermoplastic polymer matrix; - Lastgerechtes arranging the blanks, wherein at least a first and at least a second blank stack (10, 20) are formed; - Producing an upper shell and a lower shell, including to the first blank stack (10) and to the second blank stack (20) made of a short fiber reinforced plastic material, a rib structure (161/162) and a peripheral frame (151/152) are molded; - Joining of the upper shell and lower shell, wherein these at their rib structures (161/162) and Umfangszargen (151/152) are joined materially (190) and thereby a circumferentially closed side wall is formed. The invention further relates to a fiber-plastic composite motor vehicle component (100) produced herewith.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faserkunststoffverbund-Bauteils sowie ein entsprechend hergestelltes dreidimensionales Faserkunststoffverbund-Kraftfahrzeugbauteil.The invention relates to a method for producing a three-dimensional fiber-reinforced plastic composite component and to a correspondingly produced three-dimensional fiber-plastic composite motor vehicle component.
Unter einem dreidimensionalen Faserkunststoffverbund-Bauteil wird ein aus Verstärkungsfasern und Kunststoffmaterial(-ien) gebildetes Bauteil mit einer räumlichen Gestalt verstanden, wobei dieses Bauteil zumindest abschnitts- oder bereichsweise auch mit einer größeren Bauteildicke (d. h. mit einer Dickenerstreckung bzw. mit einer dritten Dimension) ausgebildet ist. Ein flächig-blechartiges Faserkunststoffverbund-Bauteil, das nur eine Schalendicke aufweist (wie bspw. eine CFK-Motorraumklappe oder -Sitzschale), ist kein dreidimensionales Faserkunststoffverbund-Bauteil im Sinne der Erfindung.A three-dimensional fiber-plastic composite component is understood to mean a component formed from reinforcing fibers and plastic material (s) with a spatial shape, whereby this component is also formed with a larger component thickness (ie with a thickness extension or with a third dimension), at least in sections or regions is. A flat sheet-like fiber-reinforced plastic composite component which has only one shell thickness (such as, for example, a CFRP engine compartment flap or seat pan) is not a three-dimensional fiber-reinforced plastic composite component in the sense of the invention.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faserkunststoffverbund-Bauteils anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.The object of the invention is to provide a novel process for producing a three-dimensional fiber-reinforced plastic composite component which does not have at least one disadvantage associated with the prior art or at least only to a reduced extent.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.This object is achieved by an inventive method according to the features of claim 1. Preferred developments and refinements of the method according to the invention will become apparent both from the dependent claims and from the following explanations.
Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faserkunststoffverbund-Kraftfahrzeugbauteil, wie insbesondere ein Kraftfahrzeug-Strukturbauteil. Die Verfahrensmerkmale gelten analog auch für dieses erfindungsgemäße Faserkunststoffverbund-Kraftfahrzeugbauteil.With a sibling claim, the invention also extends to a fiber-plastic composite motor vehicle component produced by the method according to the invention, in particular a motor vehicle structural component. The process characteristics apply analogously also for this fiber-plastic composite motor vehicle component according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faserkunststoffverbund-Bauteils weist folgende Schritte auf:
- – Erzeugen von Zuschnitten mit verschiedenen Schnittmustern aus einem UD-Halbzeug mit thermoplastischer Kunststoffmatrix;
- – lastgerechtes Anordnen der Zuschnitte, wobei wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Zuschnittstapel gebildet werden (die Zuschnittstapel bestehen aus mindestens zwei Zuschnitten);
- – Erzeugen einer Oberschale und einer Unterschale, wozu sowohl an den ersten Zuschnittstapel (oder an mehrere erste Zuschnittstapel) als auch an den zweiten Zuschnittstapel (oder an mehrere zweite Zuschnittstapel) aus einem mit Kurzfasern verstärkten Kunststoffmaterial eine Rippenstruktur und eine Umfangszarge angespritzt werden;
- – Fügen von Oberschale und Unterschale, wobei diese an ihren Rippenstrukturen und Umfangszargen stoffschlüssig miteinander gefügt werden und eine umlaufend geschlossene Seitenwandung gebildet wird.
- - Producing blanks with different patterns from a UD semi-finished with thermoplastic matrix;
- - Load-appropriate arrangement of the blanks, wherein at least a first and at least a second blank stack are formed (the blank stacks consist of at least two blanks);
- - Producing an upper shell and a lower shell, including both the first blank stack (or to a plurality of first blank stacks) and the second blank stack (or to a plurality of second blank stacks) from a short fiber reinforced plastic material, a rib structure and a peripheral frame are molded;
- - Joining of upper shell and lower shell, wherein these are joined to their rib structures and Umfangszargen cohesively with each other and a circumferentially closed side wall is formed.
Das UD-Halbzeug (bzw. UD-Tape) weist planparallel bzw. unidirektional angeordnete Endlosfasern oder Langfasern sowie ein thermoplastisches Kunststoffmatrixmaterial auf. Bei den Fasern bzw. Verstärkungsfasern handelt es sich insbesondere um Kohlenstoff- oder Glasfasern, wobei prinzipiell auch andere Fasermaterialien möglich sind. Die insbesondere streifenartigen Zuschnitte können aus dem selben UD-Halbzeug oder aus verschiedenen UD-Halbzeugen hergestellt werden. Das insbesondere automatisierte Herstellen bzw. Erzeugen der Zuschnitte kann bspw. mit einer mechanischen Schneidanlage (d. h. mit Messern oder dergleichen) oder mit einer Laserschneidanlage erfolgen.The UD semifinished product (or UD tape) has plane-parallel or unidirectionally arranged continuous fibers or long fibers and a thermoplastic polymer matrix material. The fibers or reinforcing fibers are, in particular, carbon or glass fibers, although in principle other fiber materials are also possible. The particular strip-like blanks can be made from the same UD semi-finished or from different UD semi-finished products. The particularly automated production or production of the blanks can take place, for example, with a mechanical cutting device (that is to say with knives or the like) or with a laser cutting machine.
Unter einem lastgerechten Anordnen der Zuschnitte wird verstanden, dass die zuvor erzeugten unterschiedlichen Zuschnitte im Hinblick auf die im späteren Einsatz des herzustellenden Bauteils angreifenden Kräfte und Momente und die daraus innerhalb des Bauteils resultierenden Lastpfade, insbesondere auch unter Berücksichtigung der Faserorientierung, übereinander und/oder nebeneinander angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist z. B. vorgesehen, dass in hoch belasteten Bereichen bzw. Abschnitten (bspw. an Krafteinleitungspunkten) mehr Zuschnitte angeordnet werden als in anderen Bereichen, die weniger stark belastet sind. Dadurch werden nur soviel Langfasern bzw. Endlosfasern eingebracht, wie es im Hinblick auf die Bauteilbelastung nötig ist (d. h. keine Überdimensionierung). Durch das Verwenden unterschiedlicher Zuschnitte fällt zudem nur sehr wenig Verschnitt an.A load-oriented arrangement of the blanks is understood to mean that the previously produced different blanks with respect to the forces and moments acting in the subsequent use of the component to be produced and the resulting within the component load paths, especially taking into account the fiber orientation, one above the other and / or side by side to be ordered. Particularly preferred is z. B. provided that in high-load areas or sections (eg. At force application points) more blanks are arranged as in other areas that are less heavily loaded. As a result, only as much long fibers or continuous fibers are introduced, as is necessary with regard to the component load (that is, no oversizing). By using different blanks is also very little waste.
Die unterschiedlichen Zuschnitte werden nach Vorgabe zu Zuschnittstapeln (zusammengepackte Tape-Zuschnitte bzw. Patches) angeordnet, typischerweise mit der selben Faserorientierung, wobei wenigstens eine Lage auch eine versetzte Faserorientierung (d. h. einen anderen Winkel als 0°) haben kann. Die Zuschnittstapel können (abhängig von den Lastpfaden) bspw. eine Dicke von bis zu 7 mm aufweisen. (Die UD-Halbzeuge bzw. -Tapes weisen selbst eine Dicke von bspw. 0,15 mm bis 0,3 mm auf.) Das Stapeln der Zuschnitte kann, insbesondere automatisiert (bspw. mit Hilfe wenigstens eines High Speed Picking Roboters), auf wenigstens einem Ablagetisch, insbesondere mit Vakuumansaugung, erfolgen. Hierbei können die Zuschnitte auch thermisch geheftet werden, wozu das im UD-Halbzeug enthaltene Kunststoffmatrixmaterial punktuell angeschmolzen wird. Ein Zuschnittstapel kann auch aus mehreren einzelnen Teilstapeln bzw. einzelnen Patches (d. h. wenigstens zwei Patches) bestehen bzw. gebildet werden.The different blanks are arranged according to specification to blank stacks (stacked tape blanks or patches), typically with the same fiber orientation, wherein at least one layer also offset one Fiber orientation (ie an angle other than 0 °). The blank stacks may (depending on the load paths), for example, have a thickness of up to 7 mm. (The UD semi-finished products or tapes themselves have a thickness of, for example, 0.15 mm to 0.3 mm.) The stacking of the blanks can, in particular automatically (for example with the help of at least one high-speed picking robot), on at least one storage table, in particular with Vakuumansaugung done. In this case, the blanks can also be thermally stapled, for which purpose the plastic matrix material contained in the UD semifinished product is melted at points. A blank stack can also consist of several individual sub-stacks or individual patches (ie at least two patches).
Zum Erzeugen einer Oberschale und einer Unterschale werden die zuvor gebildeten Zuschnittstapel in Spritzgießwerkzeuge eingelegt, in denen dann die Zuschnittstapel mit einem mit Kurzfasern versetzten thermoplastischen Kunststoffmaterial umspritzt oder zumindest hinterspritzt und Rippenstrukturen sowie umlaufende Zargen angespritzt werden. Zuvor werden die Zuschnittstapel erwärmt, was außerhalb der Spritzgießwerkzeuge oder direkt in den Spritzgießwerkzeugen erfolgen kann. Die Zargen dienen der Bildung einer umlaufenden Seitenwandung am herzustellenden Bauteil und die Rippenstrukturen dienen am hergestellten Bauteil der Stabilisierung bzw. Festigkeitserhöhung sowie auch der Beabstandung zwischen einer Bauteil-Oberseite und einer Bauteil-Unterseite (wie nachfolgend noch näher erläutert). Die Faserverstärkung mit Kurzfasern, wobei es sich, insbesondere in Übereinstimmung mit den UD-Fasern, um Kohlenstoff- oder Glasfasern handeln kann, führt zu einer hohen mechanischen Belastbarkeit der gespritzten Bauteilbereiche. Die Kurzfasern weisen bevorzugt eine Länge von 0,4 mm bis 12,0 mm (gegebenenfalls auch bis 25 mm) auf. Um die Oberschale und Unterschale später fügen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rippenstrukturen und Zargen zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Beim Spritzgießen können ferner auch Funktionselemente (wie bspw. Stütz- und Befestigungselemente, Halter und dergleichen) angeformt bzw. angegossen und/oder Inlays (bspw. metallische Gewindebuchsen oder dergleichen) eingeformt bzw. eingegossen werden.To produce an upper shell and a lower shell, the previously formed blank stacks are inserted into injection molds, in which the blank stacks are then overmolded or at least back-injected with a thermoplastic material mixed with short fibers and rib structures and peripheral frames are injection-molded. Previously, the blank stacks are heated, which can be done outside the injection molds or directly in the injection molds. The frames serve to form a circumferential side wall on the component to be produced and the rib structures serve on the manufactured component of the stabilization or increase in strength as well as the spacing between a component top and a component bottom (as explained in more detail below). The fiber reinforcement with short fibers, which may be carbon or glass fibers, in particular in agreement with the UD fibers, leads to a high mechanical strength of the sprayed component areas. The short fibers preferably have a length of 0.4 mm to 12.0 mm (optionally also up to 25 mm). In order to add the upper shell and lower shell later, it is preferably provided that the rib structures and frames are mirror-symmetrical to each other. In injection molding, functional elements (such as, for example, support and fastening elements, holders and the like) can also be formed or cast on and / or inlays (for example metallic threaded bushes or the like) can be molded or cast.
Zum Fügen von Oberschale und Unterschale werden diese zuvor erzeugten Bauteil-Komponenten (nach der Entnahme aus den Spritzgießwerkzeugen) entsprechend positioniert und ausgerichtet und, insbesondere mit definierter Kraft und/oder definiertem Weg, gegeneinander gepresst, so dass diese an ihren einander zugewandten Rippenstrukturen und Umfangszargen stoffschlüssig miteinander gefügt werden. Das stoffschlüssige Fügen kann durch Verkleben erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das stoffschlüssige Fügen durch Verschweißen erfolgt, wozu die entsprechenden Fügestellen an den Rippenstrukturen und Umfangszargen entweder noch Restwärme aus dem Spritzgießprozess aufweisen und/oder mittels einer Erwärmungseinrichtung (bspw. einem Infrarot-Strahler, einem Heißgas-Strahler, einer Ultraschall-Sonde und/oder dergleichen) vorab gezielt erwärmt und angeschmolzen werden.For joining the upper shell and lower shell, these previously produced component components (after removal from the injection molds) are correspondingly positioned and aligned and, in particular with a defined force and / or defined path, pressed against each other, so that they face each other at their mutually facing rib structures and Umfangszargen be joined together cohesively. The cohesive joining can be done by gluing. However, it is preferably provided that the integral joining takes place by welding, for which the corresponding joints at the rib structures and peripheral frames either still have residual heat from the injection molding process and / or by means of a heating device (eg an infrared emitter, a hot gas emitter, an ultrasound Probe and / or the like) are deliberately heated in advance and melted.
Mit den zuvor erläuterten Verfahrensschritten wird ein dreidimensionales Faserkunststoffverbund-Bauteil, wobei es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeugbauteil handelt, hergestellt, das aus stoffschlüssig miteinander verbundener Oberschale und Unterschale gebildet ist. Das einteilige Faserkunststoffverbund-Bauteil ist somit aus mehreren Stücken hergestellt. Die Oberschale weist eine (gegebenenfalls auch räumlich geformte) Oberseite mit einer umlaufenden Zarge und die Unterschale eine (gegebenenfalls räumlich geformte) Unterseite mit einer umlaufenden Zarge auf, wobei Oberschale und Unterschale an ihren Umfangszargen stoffschlüssig miteinander gefügt sind, so dass eine geschlossene, insbesondere auch schmutz- und feuchtedichte, Seitenwandung gebildet ist, die umlaufend die Oberseite und die Unterseite verbindet. Die Seitenwandung ist somit aus einem mit Kurzfasern verstärktem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Die aus dem UD-Halbzeug stammenden Endlos- bzw. Langfasern befinden sich nur in der Oberseite und Unterseite und erstrecken sich insbesondere gurtartig durch die Oberseite und Unterseite (Ober- und Untergurt). Ferner sind die Oberschale und die Unterschale mit (inneren) Rippenstrukturen ausgebildet und auch an diesen Rippenstrukturen gefügt, wobei die Rippenstrukturen vollständig von der umlaufenden Seitenwandung eingeschlossen sind. Unter einer Rippenstruktur wird insbesondere die Gesamtheit aus belastungs- und fertigungsgerecht angeordneten Rippenelementen verstanden.With the method steps explained above, a three-dimensional fiber-plastic composite component, which is in particular a motor vehicle component, is produced which is formed from a materially interconnected upper shell and lower shell. The one-piece fiber-reinforced plastic composite component is thus made of several pieces. The upper shell has a (possibly also spatially shaped) top with a peripheral frame and the lower shell a (possibly spatially shaped) underside with a peripheral frame, wherein the upper shell and lower shell are joined together at their Umfangszargen cohesively, so that a closed, in particular Dirt and moisture density, side wall is formed, which peripherally joins the top and bottom. The side wall is thus formed from a reinforced with short fibers thermoplastic. The endless or long fibers originating from the UD semi-finished product are only in the upper side and lower side and in particular extend in a belt-like manner through the upper side and lower side (upper and lower belt). Further, the upper shell and the lower shell are formed with (inner) rib structures and also joined to these rib structures, wherein the rib structures are completely enclosed by the circumferential side wall. A rib structure is understood to mean, in particular, the entirety of rib elements which are arranged in accordance with load and production.
Das erfindungsgemäß hergestellte Faserkunststoffverbund-Bauteil weist im Querschnitt einen (durch Oberseite, Unterseite und Seitenwandung gebildeten) geschlossenen Umriss auf, der die Rippen der (inneren) Rippenstrukturen vollständig umgibt. Auch die Rippenstrukturen sind aus einem mit Kurzfasern verstärktem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Durch die miteinander verbundenen Rippenstrukturen werden die Oberseite und die Unterseite zueinander beabstandet (was nach dem Satz von Steiner auch zu einer Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und Biege-/Torsions-Widerstandsmoments führt) und gegeneinander abgestützt, so dass das erfindungsgemäß hergestellte Faserkunststoffverbund-Bauteil eine Bauteildicke (dritte Dimension) aufweist und mechanisch sehr belastbar ist. Bei den Zargen und bei den Rippenstrukturen handelt es sich ausschließlich um Spritzgieß- bzw. -gusselemente, die im Spritzgießverfahren (mit einem Kurzfasern enthaltenden thermoplastischen Kunststoffmaterial) hergestellt sind. Die Oberseite und Unterseite sind aus umgeformten und verpressten sowie gegebenenfalls (mit einem Kurzfasern enthaltenden thermoplastischen Kunststoffmaterial) hinterspritzten und/oder umspritzten Zuschnitten bzw. Zuschnittstapeln aus einem UD-Halbzeug gebildet. In analoger Weise kann ein erfindungsgemäßes Faserkunststoffverbund-Bauteil auch aus mehreren Oberschalen und/oder Unterschalen gebildet sein, die entsprechend gefügt sind.The fiber-reinforced plastic composite component produced according to the invention has, in cross-section, a closed contour (formed by upper side, lower side and side wall) which completely surrounds the ribs of the (inner) rib structures. The rib structures are also formed from a thermoplastic reinforced with short fibers. Due to the interconnected rib structures, the upper side and the lower side are spaced apart from each other (which according to Steiner's theorem also increases the area moment of inertia and bending / torsional moment of resistance) and supported against each other, so that the fiber-reinforced plastic composite component produced according to the invention has a component thickness ( third dimension) and is mechanically very resilient. The frames and the rib structures are exclusively injection molding or casting elements, which are produced by injection molding (with a short fibers containing thermoplastic material). The top and bottom are formed from formed and pressed and possibly (with a short fibers containing thermoplastic material) back-injected and / or overmoulded blanks or blank stacks of a UD semi-finished. In an analogous manner, a fiber composite component according to the invention may also be formed from a plurality of upper shells and / or lower shells, which are joined accordingly.
Mit anderen Worten formuliert, weist ein erfindungsgemäß hergestelltes dreidimensionales Faserkunststoffverbund-Bauteil eine Oberseite und eine Unterseite und eine umlaufende, die Oberseite und Unterseite verbindende Seitenwandung auf, wobei das Bauteil aus stoffschlüssig miteinander verbundener Oberschale und Unterschale gebildet ist und (wenigstens) eine die Oberschale und die Unterschale stoffschlüssig verbindende Fügenaht, die umlaufend durch die Seitenwandung verläuft, aufweist. Bevorzugt sind nur in der Oberseite und in der Unterseite Zuschnitte, insbesondere Streifenzuschnitte, aus einem UD-Halbzeug verarbeitet, wobei lokal in hoch belasteten Bauteilbereichen (bspw. an Krafteinleitungs- und/oder Befestigungspunkten) mehr Zuschnitte als in anderen, weniger belasteten Bauteilbereichen angeordnet sind. Weiterbildungen ergeben sich wie vorausgehend und nachfolgend erläutert.In other words, a three-dimensional fiber-plastic composite component produced according to the invention has an upper side and a lower side and a circumferential side wall connecting the upper side and the lower side, wherein the component is formed from the upper shell and lower shell which are connected to one another in a material-locking manner and (at least one) the upper shell and the lower shell cohesively joining joining seam which extends circumferentially through the side wall has. Blanks, in particular strip blanks, are preferably processed from a UD semifinished product only in the upper side and in the lower side, more blanks being arranged locally in highly loaded component regions (for example at force introduction and / or attachment points) than in other, less stressed component regions , Developments arise as previously and explained below.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Teilprozesse der Herstellung und insbesondere auch der Gesamtherstellungsprozess automatisierbar sind, so dass eine Teilautomatisierung oder sogar Vollautomatisierung möglich ist. Die ist verbunden mit dem Umstand, dass die Verarbeitung thermoplastischer Faserhalbzeuge ohnehin kurze Taktzeiten ermöglicht (insbesondere im Vergleich zu duroplastischen Halbzeugen, die bspw. im RTM-Verfahren verarbeitet werden, was Taktzeiten von mehreren Minuten mit sich bringt). Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit insbesondere zur fortlaufenden Herstellung bzw. Serienherstellung mit kurzer Taktzeit (die Taktzeit beim Spritzgießen, gegebenenfalls einschließlich einem vorausgehenden Umformen, zum Erzeugen der Oberschale und/oder Unterschale kann bspw. nur 1 bis 2 Minuten betragen). Das Spritzgießen bietet zudem viele Designfreiheitsgrade und weist eine gute Kostenbilanz bzgl. Werkzeugstandzeiten und Werkstoffen bzw. Rohstoffen auf.An advantage of the invention lies in the fact that the sub-processes of manufacture and in particular also the overall manufacturing process can be automated, so that a partial automation or even full automation is possible. This is associated with the fact that the processing of semi-finished thermoplastic products in any case allows short cycle times (in particular compared to thermoset semi-finished products, which are processed, for example. In RTM process, which brings cycle times of several minutes). The inventive method is thus particularly suitable for continuous production or series production with a short cycle time (the cycle time during injection molding, optionally including a previous forming, to produce the upper shell and / or lower shell may, for example, be only 1 to 2 minutes). Injection molding also offers many design degrees of freedom and has a good cost balance with regard to tool life and materials or raw materials.
Ferner ergeben sich, insbesondere auch aufgrund der Verschnittreduzierung, Kosteneinsparpotentiale. Die Erfindung ermöglicht also die vergleichsweise kostengünstige und grosserientaugliche Herstellung von dreidimensionalen Faserkunststoffverbund-Bauteilen (gemäß vorausgehender Definition) und insbesondere Kraftfahrzeugbauteilen, wobei die erfindungsgemäß hergestellten Faserkunststoffverbund-Bauteile zudem leicht sind (d. h. ein geringes Gewicht aufweisen) und trotzdem hoch belastbar bzw. mechanisch stark beanspruchbar sind. Dies ist keine abschließende Aufzählung von Vorteilen, die mit der Erfindung einhergehen.Furthermore, there are cost saving potentials, in particular due to the reduction of the cut. The invention thus makes possible the comparatively cost-effective and large-scale production of three-dimensional fiber-reinforced plastic composite components (according to the preceding definition) and in particular motor vehicle components, wherein the fiber-reinforced plastic composite components produced according to the invention are also lightweight (ie have a low weight) and yet highly resilient or mechanically stressable are. This is not an exhaustive list of advantages associated with the invention.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor,
- – dass (zum Erzeugen von Oberschale und Unterschale) der erste Zuschnittstapel in die Kavität eines ersten Spritzgießwerkzeugs und der zweite Zuschnittstapel in die Kavität eines zweiten Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden, danach die Spritzgießwerkzeuge geschlossen und das mit Kurzfasern verstärkte Kunststoffmaterial in die Kavitäten eingespritzt wird; und
- – dass (zum Fügen von Oberschale und Unterschale) die erzeugte Oberschale und die erzeugte Unterschale nach dem Öffnen der Spritzgießwerkzeuge in den Kavitäten verbleiben und daraufhin die betreffenden Werkzeugteile (d. h. die die Oberschale und Unterschale aufnehmenden bzw. tragenden Werkzeugteile bzw. -hälften) durch Bewegen (d. h. insbesondere durch Verschieben, Verdrehen, und/oder Verschwenken) wenigstens eines dieser Werkzeugteile derart umpositioniert werden, dass sich schließlich die Oberschale und die Unterschale (spiegelsymmetrisch) gegenüberliegen, wonach die betreffenden Werkzeugteile zusammengefahren und hierbei Ober- und Unterschale gefügt werden.
- - That (for generating upper shell and lower shell) of the first blank stack in the cavity of a first injection mold and the second blank stack in the cavity of a second injection mold are inserted, then closed the injection molds and the short fiber reinforced plastic material is injected into the cavities; and
- - That (for joining upper shell and lower shell), the generated upper shell and the lower shell produced remain after opening the injection molds in the cavities and then the respective tool parts (ie, the upper shell and lower shell receiving or supporting tool parts or halves) by moving (ie in particular by shifting, twisting, and / or pivoting) at least one of these tool parts are repositioned such that finally the upper shell and the lower shell (mirror-symmetrical) are opposite, after which the respective tool parts moved together and this upper and lower shell are joined.
Aus dieser bevorzugten Weiterbildung ergeben sich weitergehende Zeit- und Kostenersparnisse, sowie eine verbesserte Automatisierbarkeit.From this preferred development, further time and cost savings, as well as improved automation result.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Oberschale und die Unterschale im Wesentlichen gleichzeitig bzw. zeitgleich in den Spritzgießwerkzeugen erzeugt werden, wobei prinzipiell auch eine zeitversetzte Herstellung von Oberschale und Unterschale möglich ist. Das Fügen von Oberschale und Unterschale erfolgt quasi ohne Umsetzen, wozu diese zuvor erzeugten Bauteil-Komponenten bzw. Bauteil-Bestandteile in den kavitätsbildenden Werkzeugteilen (bspw. in der Matrize oder in der Patrize) verbleiben und sich nach dem Umpositionieren dieser Werkzeugteile spiegelsymmetrisch gegenüberliegen, so dass durch Schließen der Werkzeugteile das stoffschlüssige Fügen von Oberschale und Unterschale an den einander zugewandten Rippenstrukturen und Umfangszargen erfolgen kann. Die Fügebereiche an den Rippenstrukturen und Zargen von Oberschale und/oder Unterschale können hierfür aus der Kavität herausragen bzw. überstehen. Die konkrete Ausgestaltung der Spritzgießwerkzeuge liegt im Bereich des fachmännischen Könnens und Wissens. Das Schließen der Werkzeugteile zum Fügen von Oberschale und Unterschale erfolgt bevorzugt kraft- und insbesondere weggesteuert.Particularly preferably, it is provided that the upper shell and the lower shell are produced substantially simultaneously or simultaneously in the injection molds, wherein in principle a time-staggered production of upper shell and lower shell is possible. The joining of the upper shell and lower shell takes place virtually without reaction, for which purpose these previously produced component components or component components remain in the cavity-forming tool parts (for example in the matrix or in the male part) and, after the repositioning of these tool parts, are mirror-symmetrical, then that by closing the tool parts, the cohesive joining of upper shell and lower shell can be done on the mutually facing rib structures and Umfangszargen. For this purpose, the joining regions on the rib structures and ribs of the upper shell and / or lower shell can project out of the cavity. The concrete design of the injection molding tools is within the skill of the art and knowledge. Closing the tool parts for joining Upper shell and lower shell is preferably force and in particular controlled path.
Das erste und das zweite Spritzgießwerkzeug gehören insbesondere zu einer Spritzgießanlage, die derart ausgebildet ist, dass das Umpositionieren (und Rückpositionieren) der Werkzeugteile zur Positionierung und Ausrichtung von Oberschale und Unterschale für den Fügeprozess sowie das anschließende Schließen zum Fügen von Oberschale und Unterschale, insbesondere automatisiert, bewerkstelligbar ist.The first and the second injection mold belong in particular to an injection molding system which is designed such that the repositioning (and repositioning) of the tool parts for positioning and alignment of the upper shell and lower shell for the joining process and the subsequent closing for joining the upper shell and lower shell, in particular automated , is accomplishable.
Nach dem Abkühlen können die Werkzeugteile geöffnet und das fertige Faserkunststoffverbund-Bauteil kann, insbesondere automatisiert (bspw. mittels Roboter und Greifer), entnommen werden. Danach können die Werkzeugteile zur Herstellung einer weiteren Oberschale und Unterschale wieder umpositioniert bzw. rückpositioniert werden.After cooling, the tool parts can be opened and the finished fiber-plastic composite component can be removed, in particular automatically (for example by means of a robot and gripper). Thereafter, the tool parts for producing a further upper shell and lower shell can be repositioned or repositioned again.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Fügestellen an den Rippenstrukturen und Umfangszargen der Oberschale und/oder der Unterschale vor dem Fügen mittels wenigstens einer Erwärmungs- bzw. Heizeinrichtung (bspw. einem Infrarot-Strahler, einem Heißgas-Strahler, einer Ultraschall-Sonde und/oder dergleichen) angeschmolzen werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass nur die Fügestellen lokal angeschmolzen werden. Dieses Anschmelzen kann während dem Umpositionieren und/oder vor dem Zusammenfahren bzw. Schließen der Werkzeugteile erfolgen. Bspw. kann vor dem Schließen eine entsprechend ausgebildete Erwärmungseinrichtung automatisiert in den Werkzeugspalt eingefahren werden. Die Schmelzerwärmung kann auch von außen bspw. mittels eines Gebläses oder eines Strahlenumlenkspiegels erfolgen.It is preferably provided that the joints at the rib structures and peripheral frames of the upper shell and / or the lower shell before joining by means of at least one heating or heating device (eg an infrared radiator, a hot gas radiator, an ultrasonic probe and / or The like) are melted, in particular, it is provided that only the joints are melted locally. This melting can take place during the repositioning and / or before the collapse or closing of the tool parts. For example. can be moved automatically into the tool gap before closing a suitably trained heating device. The Schmelzerwärmung can also be done externally, for example. By means of a fan or a Strahlenumlenkspiegels.
Unabhängig von einer konkreten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Zuschnittstapel vor dem Einlegen bzw. Einbringen in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs verformt wird, um diesem Zuschnittstapel eine flächig räumliche Gestalt zu geben (Preform). Dieses Umformen kann in einem entsprechend ausgebildeten Umformwerkzeug erfolgen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zuschnittstapel zuvor aufgeheizt wird, insbesondere bis zur Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffmatrixmaterials, was bspw. in einem Ofen (z. B. Infrarot- oder Umluftofen) oder mittels sonstiger Erwärmungs- bzw. Heizeinrichtung (bspw. einem Heizstrahler oder einer Kontaktheizung) erfolgen kann. Nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug weist das schalenartige Fasergelege eine formstabile Gestalt auf und kann so in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden, wo dann (gegebenenfalls nach erneuter Erwärmung) das Spritzgießen erfolgt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Zuschnittstapel direkt (d. h. ohne Vorformen in einem Umformwerkzeug) beim Schließen des Spritzgießwerkzeugs verformt wird, wozu das Spritzgießwerkzeug entsprechend ausgebildet ist. Auch hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zuschnittstapel zuvor (gegebenenfalls auch erst nach dem Einlegen) aufgeheizt wird. Ebenso kann das Spritzgießwerkzeug beheizt sein (zumal Spritzgießwerkzeuge typischerweise ohnehin eine Heizung aufweisen). Nachdem der Zuschnittstapel umgeformt ist, kann unmittelbar bzw. sofort (d. h. ohne Umsetzen des Zuschnittstapels und insbesondere auch ohne erneutes Erwärmen) der Einspritzvorgang beginnen.Regardless of a specific variant of the method, it can be provided that at least one of the blank stacks is deformed prior to insertion or introduction into the cavity of the injection mold in order to give this blank stack a planar spatial shape (preform). This forming can take place in a correspondingly formed forming tool. It is preferably provided that the blank stack is heated beforehand, in particular up to the melting temperature of the thermoplastic matrix material, for example in an oven (for example infrared or circulating air oven) or by means of another heating or heating device (for example a radiant heater or a heat radiator) Contact heating) can take place. After removal from the forming tool, the shell-like Fasergelege a dimensionally stable shape and can be placed in the injection mold, where then (optionally after renewed heating) the injection molding. Alternatively it can be provided that at least one of the blank stacks is deformed directly (ie without preforms in a forming tool) during closing of the injection mold, for which purpose the injection mold is designed accordingly. Here, too, it is preferably provided that the blank stack is previously heated (if appropriate also only after insertion). Likewise, the injection mold can be heated (especially since injection molds typically have a heater anyway). After the blank stack has been reshaped, the injection process can begin immediately or immediately (that is to say without the blank stack being converted, and in particular also without renewed heating).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem mit Kurzfasern verstärkten Kunststoffmaterial zum Spritzgießen zumindest teilweise um Recyclingmaterial handelt, wobei es sich sowohl bei den Kurzfasern als auch bei dem thermoplastischen Kunststoffmaterial um Recyclingmaterial handeln kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das verwendete Recyclingmaterial zumindest teilweise aus den beim Erzeugen der Zuschnitte anfallenden Verschnittabfällen (des UD-Halbzeugs) gewonnen wird, wozu diese Verschnittabfälle in geeigneter Weise aufbereitet werden. Bevorzugt wird also der Verschnitt der UD-Tapes mit eingearbeitet. In vorteilhafter Weise sind die Kurzfasern dann aus dem selben Material wie die Lang- bzw. Endlosfasern (d. h. insbesondere aus Kohlefaser oder Glasfaser) gebildet. Die zumindest teilweise Verwendung von Recyclingmaterial, das insbesondere aus Vorprozessen gewonnen wird, führt zu einer verbesserten Kosten- und Umweltbilanz. Das Recyclingmaterial fällt in den Vorprozessen an und steht somit kostenlos zur Verfügung. Das Recyclingmaterial kann auch aus anderen In-Haus-Prozessen stammen, bspw. aus einem duromeren Prozess, wo sehr viel trockene Fasern anfallen, welche man zu Spritzgussmaterial aufbereiten kann.It is preferably provided that the short fiber reinforced plastic material for injection molding is at least partially recycled material, which may be recycled material both in the short fibers and in the thermoplastic plastic material. Particularly preferably, it is provided that the recycled material used is obtained at least partially from the waste waste produced during the production of the blanks (of the UD semi-finished product), for which purpose this waste waste is processed in a suitable manner. Preferably, therefore, the blend of UD tapes is incorporated. Advantageously, the short fibers are then formed of the same material as the long or continuous fibers (i.e., in particular carbon fiber or glass fiber). The at least partial use of recycled material, which is obtained in particular from pre-processing, leads to an improved cost and environmental balance. The recycling material accumulates in the preliminary processes and is therefore available free of charge. The recycled material can also come from other in-house processes, for example, from a thermoset process, where a lot of dry fibers incurred, which can be processed into injection molding material.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von bestimmten Merkmalskombinationen, zugleich allgemeine Merkmale der Erfindung sein.The invention will be explained in more detail by way of example and not by way of limitation with reference to the schematic figures. The features shown in the figures and / or explained below may also be general features of the invention, even detached from certain combinations of features.
In der Oberseite
Im Inneren der Domstrebe
Erfindungsgemäß ist die Domstrebe
Bei der Domstrebe
Die Herstellung der Domstrebe
In die Kavitäten
Anschließend werden die Zuschnittstapel
Nach dem Erwärmen werden die Spritzgießwerkzeuge
Nach dem Spritzgießen werden die Spritzgießwerkzeuge
Nachdem die die Oberschale und Unterschale tragenden Werkzeugteile bzw. -hälften
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rippenstruktur
Nach dem Abkühlen kann das hergestellte Faserkunststoffverbund-Bauteil
Die Spritzgießanlage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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