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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil.
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Aus der
DE 10 2012 018 801 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Beplankungsbauteils für einen Kraftwagen als Verbundbauteil hervor, wobei ein erstes, aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildetes Halbzeug umgeformt und mit Kunststoff zu einem Innenteil umspritzt wird, wobei ein zweites, aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildetes Halbzeug zu einem Kunststoff-Außenbeplankungsteil umgeformt wird, wobei eine aus einem Thermoplast ausgebildete Deckschicht des Kunststoff-Außenbeplankungsteils induktiv erwärmt wird, wobei das Innenteil und das Kunststoff-Außenbeplankungsteil aneinandergefügt werden, und wobei ein Schaumstoff in einen zwischen dem Innenteil und dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil ausgebildeten Hohlraum eingebracht wird, wobei das Innenteil und das Kunststoff-Außenbeplankungsteil anschließend im Bereich des Hohlraums um einen vorgegebenen Weg voneinander wegbewegt werden. Das so insgesamt entstehende Bauteil ist in Hinblick auf seine Oberflächenqualität verbesserungsfähig. Generell besteht das Problem, dass hinterspritzte, thermoplastische, endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile, welche neben den mechanischen Anforderungen an ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs auch Designanforderungen, insbesondere in Hinblick auf eine Oberflächenqualität und eine Lackierfähigkeit, gerecht werden sollen, nur sehr schwer bis gar nicht herstellbar sind. Dabei kommen nur solche Bauteile für sichtbare Freiformflächen im Bereich der Außenhaut von Kraftfahrzeugen infrage, welche witterungsbeständig bestimmte Glanz-, Reflexions-, Farbeindrucks- und Oberflächenanforderungen erfüllen. Kunststoffbauteile weisen häufig Oberflächeninhomogenitäten auf, welche durch Einfallstellen und Faserabzeichnungen sichtbar werden, oder das Bauteil verzieht sich im Herstellungsprozess. Werden zur Steigerung der Bauteilsteifigkeit Verstärkungsrippen vorgesehen, bilden sich auf einer Außenfläche sogenannte Rippenabzeichnungen, nämlich Einfallstellen am Ort der Rippen, welche kaum durch spezielle Oberflächenstrukturierungs- oder Kaschierungsmaßnahmen zu verhindern sind. Zudem sind der Gestaltung dünnwandiger Rippen durch die allgemein hohe Viskosität von Thermoplasten Grenzen gesetzt. Weiterhin entstehen durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungs- und Schwindungsverhalten von Faser- und Matrixmaterial in Verbindung mit raschen Aufheiz- und Abkühlvorgängen und einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung der Fließfront besonders bei großflächigen Bauteilen innere Eigenspannungen sowohl thermischer als auch strömungsbedingter Natur, welche einen Verzug der Bauteile verursachen. Dem kann zwar grundsätzlich durch Auftragen von mehreren Schichten an Primer/Filler und anschließendem Schleifen vor einer Lackierung begegnet werden, jedoch kann eine Oberflächenwelligkeit – insbesondere nach Alterung – nicht verhindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Verbundbauteil zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Es wird ein Halbzeug aus faserverstärktem Kunststoff erwärmt. Das erwärmte Halbzeug wird zu einem Vorformling in einem Umformwerkzeug umgeformt, vorzugsweise tiefgezogen. Der Vorformling wird aus dem Umformwerkzeug in ein Spritzgießwerkzeug überführt, und es wird wenigstens ein Anspritzkunststoff zumindest bereichsweise an den Vorformling in dem Spritzgießwerkzeug angespritzt, wobei wenigstens eine Verstärkungsrippe erzeugt wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Anspritzkunststoff durch Schaumspritzgießen an den Vorformling angespritzt wird. Auf diese Weise wird ein Verbundbauteil erhalten. Dadurch, dass der Anspritzkunststoff durch Schaumspritzgießen an den Vorformling angespritzt wird, kann die Oberflächenqualität des Verbundbauteils erhöht werden, wobei insbesondere ein Abzeichnen der wenigstens einen Verstärkungsrippe auf der Verbundbauteil-Oberfläche vermieden wird. Dadurch ist es insbesondere möglich, eine außenhauttaugliche Oberfläche an dem Verbundbauteil zu schaffen, welche witterungsbeständig bestimmte Glanz-, Reflexions-, Farbeindruck- und Oberflächenanforderungen erfüllt. Besonders bevorzugt ist die Oberfläche ohne zusätzliche Behandlung direkt lackierbar. Eine solche Oberfläche wird auch als Class-A-Oberfläche bezeichnet. Die Verminderung oder vollständige Verhinderung eines Abzeichnens der wenigstens einen Verstärkungsrippe auf der Bauteiloberfläche, insbesondere auf einer der Verstärkungsrippe abgewandten Bauteiloberfläche, beruht im Wesentlichen darauf, dass die einzelnen Schaumzellen des Anspritzkunststoffs einen Innendruck aufweisen, welcher der Volumenschwindung beim Abkühlen entgegenwirkt und so ein Einfallen der Oberfläche und damit letztlich ein Abzeichnen der wenigstens einen Verstärkungsrippe zumindest vermindert, vorzugsweise verhindert.
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Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass das Verbundbauteil nach dem Anspritzen einem Prägevorgang, insbesondere einem Spritzprägevorgang, unterzogen wird. Dabei wird eine Werkzeugkavität des Spritzgießwerkzeugs ausgehend von der Schließstellung für das Spritzgießen weiter zusammengefahren, das heißt weiter geschlossen, sodass die Kavität einschließende Werkzeugteile einander weiter angenähert werden als während des Anspritzprozesses. Insbesondere werden die Werkzeugteile um mindestens 0,05 mm bis höchstens 0,18 mm weiter aufeinander zu gestellt, also weiter zusammengefahren, als beim Spritzgießen. Dadurch wird das entstehende Verbundbauteil mit seinen Oberflächen an die Werkzeugkavitätswand angepresst, wodurch eine besonders hohe Oberflächenqualität erreicht werden kann. Das zusätzliche Schließen oder weitere Zusammenfahren der Werkzeugteile wird auch als Prägehub bezeichnet. Es ist allerdings auch möglich, dass der Prägevorgang in einem separaten Werkzeug außerhalb des Spritzgießwerkzeugs durchgeführt wird. Auch hier werden dann aber entsprechend die Werkzeugteile des separat vorgesehenen Prägewerkzeugs weiter aufeinander zu gestellt, und somit eine Kavität weiter geschlossen, als dies zuvor in dem Spritzgießwerkzeug der Fall war. Insoweit wird dann auch hier – allerdings in einem getrennten Werkzeug – ein Prägehub verwirklicht.
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Unter einem Schaumspritzgießen wird hier insbesondere ein Prozess verstanden, bei dem ein Gas, insbesondere ein überkritisches Gas, vorzugsweise überkritischer Stickstoff, zu der Spritzgießmasse des Anspritzkunststoffs hinzugefügt wird. Es erfolgt eine Lösung und homogene Verteilung des Gases in der Schmelze. Bevorzugt wird bei einem Spritzgießen ein Forminnendruck angewendet, welcher das Gas ausperlen lässt, sodass es als Treibgas zur Schaumbildung wirkt. Der Expansionsprozess des Gases endet bei der Erstarrung des Anspritzkunststoffs an der Formwand. Es wird so insbesondere ein mikrozellularer Integralschaum geschaffen. Dem Verfahren liegt die Idee der Bionik zugrunde, wobei der Anspritzkunststoff nach Art eines Knochenaufbaus mit einer Vielzahl mikroskopischer Hohlräume erzeugt wird. Die verbesserte Rheologie beim Schaumspritzgießen erlaubt eine Halbierung der Einspritzzeit und somit eine schneller Füllung der Form, wodurch die Schmelze die Kontaktstellen zum Vorformling mit höherer Temperatur erreicht. Dies gilt selbst dann, wenn die Temperatur beim Schaumspritzgießen im Vergleich zu einem herkömmlichen Spritzgießen reduziert ist. Insbesondere ist es möglich, beim Schaumspritzgießen eine Temperatur von lediglich 60°C zu verwenden, was in erheblicher Weise zur Kosteneinsparung durch das Verfahren beiträgt. Aus der höheren Temperatur am Ort der Kontaktstellen zum Vorformling resultiert eine gesteigerte Verbundhaftung.
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Das Schaumspritzgießen führt darüber hinaus zu einer Steigerung der Prozessgeschwindigkeit, da die Bauteilabkühlung aufgrund der geringeren Masse und dem besseren Wärmeübergang zwischen Werkzeug und Kunststoffbauteil schneller erfolgt.
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Zudem können Kosten gesenkt werden, und das Gewicht des Verbundbauteils kann bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften um vorzugsweise etwa 4% – je nach Schäumungsgrad – reduziert werden. Es erfolgt auch eine verringerte Gratbildung, sodass der Verschleiß am Spritzgießwerkzeug reduziert wird. Insbesondere ermöglicht das Schaumspritzgießen ein Dickenverhältnis von der Verstärkungsrippe zu einer Haut des Verbundbauteils von 1:1. Durch die mit dem Schaumspritzgießen verbundene und insbesondere verbesserte Rheologie aufgrund der verminderten Viskosität des Spritzgussmaterials können auch bessere mechanische Eigenschaften durch Reduzierung innerer Spannungen erhalten werden. Es sind ebenere Bauteile herstellbar, mit höherer Dimensionsstabilität als Solid-Spritzgussteile.
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Ein zur Verringerung von Einfallstellen üblicher Nachdruck, der während einer ganzen Abkühlphase nach dem Anspritzen aufrechterhalten wird, und eine Nachdruckzeit für die Anwendung des Nachdrucks können verringert werden. So kann auch eine Taktzeitreduzierung verwirklicht werden. Weiterhin können die Schließkräfte des Spritzgießwerkzeugs verringert werden. Die verbesserte Rheologie des geschäumten Anspritzkunststoffs ermöglicht eine Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit sowie eine gleichmäßigere Druckverteilung in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs.
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Das Schaumspritzgießen kann alternativ auch mit einem sogenannten atmenden Spritzgießwerkzeug verwirklicht werden. Hierbei wird zunächst eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs volumetrisch vollständig mit dem gasbeladenen Anspritzkunststoff gefüllt, wobei anschließend die Kavität durch einen Werkzeughub vergrößert wird, was zu einer Expansion der gasbeladenen Anspritzkunststoff-Schmelze und einem daraus resultierenden Druckabfall führt. Auch hierbei wird vor dem Anspritzen ein Gas, insbesondere ein überkritisches Gas, besonders bevorzugt überkritischer Stickstoff, in den Anspritzkunststoff eingebracht.
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Als Halbzeug aus faserverstärktem Kunststoff wird insbesondere ein Faser-Matrix-Verbund verwendet, besonders bevorzugt mit einer thermoplastischen Matrix. Eine thermoplastische Matrix hat insbesondere Vorteile gegenüber der Verwendung einer duroplastischen Matrix, wobei aufgrund fehlender Vernetzungen deutlich reduzierte Qualitätsschwankungen auftreten, und wobei eine verbesserte Rezyklierung möglich ist, da eine Thermoplastmatrix jederzeit erneut aufgeschmolzen werden kann, was bei einer Duroplastmatrix nach erfolgter Vernetzung kaum mehr möglich ist. Außerdem weisen Duroplasten eine sehr lange Aushärtezeit auf, was sich negativ auf Taktzeiten im Herstellverfahren auswirkt. Auch insoweit sind Thermoplaste als Matrixmaterial überlegen. Weiterhin sind Halbzeuge auf der Grundlage einer thermoplastischen Matrix kostengünstiger herstellbar.
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Vorzugsweise wird ein Halbzeug verwendet, welches endlosfaserverstärkt ausgebildet ist. Dabei weist das Halbzeug wenigstens eine Lage von Endlosfasern, Filamenten oder Rovings, das heißt Faserbündel, auf, wobei die Faserlage gewebt, geflochten, gewirkt, gestrickt, gelegt, als Wirrfaservlies ausgebildet, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein kann. Wenigstens eine Faserlage ist in die thermoplastische Matrix eingebettet.
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Als Fasern für die wenigstens eine Faserlage können bevorzugt Glasfasern, Kunststofffasern, insbesondere Aramidfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern oder andere geeignete Fasern verwendet werden.
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Besonders bevorzugt wird als Halbzeug ein Organoblech verwendet, insbesondere ein bereits fertig beschnittenes Organoblech, das heißt eine Organoblech-Platine.
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Das Halbzeug wird bevorzugt beim Umformen, insbesondere beim Tiefziehen, und vorzugsweise auch beim Erwärmen durch Spannzangen gehalten, wobei die Spannzangen beim Umformen in einer Ebene des Halbzeugs verlagerbar sind. Somit können beim Umformen definierte Zugkräfte auf das Halbzeug ausgeübt werden, sodass dieses auch mit hohen Umformgraden in definierter Weise faltenfrei und ohne Beschädigung umgeformt werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt die Verlagerung der Spannzangen gesteuert oder geregelt, besonders bevorzugt durch Servomotoren.
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Es ist möglich, dass pro Spannzange zwei Verlagerungsrichtungen vorgesehen sind, insbesondere eine erste in der Ebene des Halbzeugs, und eine zweite senkrecht zu der Ebene des Halbzeugs. Vorzugsweise ist jeder Verlagerungsrichtung ein Servomotor zugeordnet.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Halbzeug auch beim Erwärmen durch Spannzangen gehalten wird, vorzugsweise durch dieselben Spannzangen, die später beim Umformen verlagert werden. Dabei ist es möglich, dass die Spannzangen zum Erwärmen des Halbzeugs von mit ihnen zugeordneten Servomotoren getrennt und an einem Spannrahmen angeordnet werden, wobei sie nach dem Erwärmen wiederum von dem Spannrahmen getrennt und mit den ihnen zugeordneten Servomotoren verbunden werden. Auf diese Weise kann das Halbzeug bereits beim Erwärmen durch die Spannzangen gehalten werden, sodass das durch das Erwärmen biegeschlaffe Halbzeug sicher und verformungsfrei in dem Spannrahmen mittels der Spannzangen gehalten und stabilisiert wird.
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Als Anspritzkunststoff wird bevorzugt ebenfalls ein thermoplastischer Kunststoff verwendet. Dies ermöglicht – neben den bereits in Zusammenhang mit der Matrix des Halbzeugs erwähnten Vorteilen – eine besonders innige Verbindung mit dem Matrixkunststoff des Halbzeugs, insbesondere wenn dieser ebenfalls als Thermoplast ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt werden für die Matrix des Halbzeugs einerseits und den Anspritzkunststoff andererseits Kunststoffe aus derselben Thermoplastfamilie, vorzugsweise identische Kunststoffe, verwendet.
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Ein bevorzugt als Thermoplast verwendeter Kunststoff ist Polyamid, oder ein Kunststoff aus der Polyamid-Kunststofffamilie.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Anspritzkunststoff ein kurzfaserverstärkter Kunststoff verwendet wird. Hierdurch kann die Stabilität des entstehenden Verbundbauteils in vorteilhafter Weise gesteigert werden. Insbesondere wird so ein Verbund aus zwei faserverstärkten Kunststoffteilen gebildet, nämlich einem endlosfaserverstärkten Bauteil und den kurzfaserverstärkten, angespritzten Teilen. Es entsteht also insgesamt ein FVK-FVK-Verbundbauteil.
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Besonders bevorzugt wird glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet, insbesondere kurzglasfaserverstärkter Kunststoff, wobei eine Viskosität der Schmelze des Anspritzkunststoffs deutlich geringer ist, sodass dünnere Rippen darstellbar sind, die infolgedessen auch Anlass für reduzierte Einfallstellentiefen geben und so zu der hohen Oberflächenqualität des hergestellten Verbundbauteils beitragen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Verstärkungsrippen als hexagonale Wabenstruktur ausgebildet werden. Insbesondere bilden die Verstärkungsrippen gemeinsam hexagonale Waben. Dies ermöglicht einen optimalen Kompromiss zwischen Leichtbau einerseits und einer hohen Struktursteifigkeit andererseits. Besonders bevorzugt wird eine sogenannte Honigwaben-Struktur (Honeycomb-Struktur) realisiert, welche abgeleitet ist von Strukturen, die Bienen für ihre Honigwaben schaffen. Dabei erfolgt ein Kraftschluss über die Wabenstege, während der Wabenkern leer oder mit besonders leichtem Material gefüllt sein kann. Durch die hexagonale Struktur werden Kräfte optimal flächig weitergeleitet, sodass eine punktuelle Belastung verhindert wird, und die Struktur für mehrere Lastfälle, insbesondere Zug, Biegung und Torsion, gleichzeitig und besonders auch für großflächige Bauteile geeignet ist. Zudem bietet eine solche Struktur ein besseres Ergebnis in Sachen Lunkerbildung, Verzug und Eigenspannung, als beispielsweise Rippenstrukturen mit Kreuz-, Dreieck-, Viereck-, Achteck- oder Kreisanordnungen. Weiterhin kann der Materialeinsatz verringert werden, da die Steifigkeit über die Struktur gegeben ist.
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Selbstverständlich ist es aber auch möglich – dann gegebenenfalls mit einem höheren Materialeinsatz –, eine Struktur der Verstärkungsrippen zu schaffen, welche beispielsweise Kreuz-, Dreieck-, Viereck-, Achteck- oder Kreisanordnungen aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Anspritzen des Anspritzkunststoffs wenigstens eine Anbindungsfläche, wenigstens ein Fügeteil, wenigstes ein Halter und/oder wenigstens eine Konsole ausgebildet werden. Solche Elemente dienen bevorzugt zur Anbindung des Verbundbauteils an weitere Bauteile, insbesondere an einer Kraftfahrzeugrohbaustruktur. Die Elemente können in besonders einfacher Weise beim Anspritzen bereitgestellt werden, wobei sie bevorzugt einstückig, oder – insbesondere in verschiedener Materialausbildung – über einen Formschluss an das Verbundbauteil angebunden werden. Dies ermöglicht eine hohe Funktionsintegration an dem Verbundbauteil, was insgesamt eine ökonomische Verfahrensführung und Gewichtseinsparungen ermöglicht.
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Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass in einem zusätzlichen Spritzgießprozess wenigstens eine Anbindungsfläche, wenigstens ein Fügeteil, wenigsten ein Halter und/oder wenigstens eine Konsole ausgebildet wird. Hierbei ist zwar ein Prozessschritt mehr erforderlich, jedoch ergibt sich gegebenenfalls eine höhere Flexibilität in Hinblick auf die Auswahl der Anbindungsstelle und/oder das verwendete Material für das anzuspritzende Element.
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Es ist auch möglich, dass beim Anspritzen und/oder in einem zusätzlichen Spritzgießprozess zusätzliche Einlege-, Anbindungs- und/oder Fügeteile an dem Verbundbauteil angeordnet werden, welche mit Kunststoff umspritzt werden, um sie an das Verbundbauteil anzubinden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Clipse oder Einsätze, sogenannte Inserts, beispielsweise metallische Inserts, beispielsweise Gewindehülsen, handeln. Auch Luftführungselemente können auf diese Weise in das Verbundbauteil integriert oder an dieses angebunden werden. Weitere Arbeitsschritte, wie das Anbringen metallischer Verbindungsstrukturen an das Kunststoffbauteil, können dann entfallen, und verschiedene Bauteile können vielmehr durch Spritzgießen miteinander verbunden werden, wobei zugleich hohe Designfreiheiten gewährleistet sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein mehrlagiges Halbzeug verwendet wird, vorzugsweise ein mehrlagiges Organoblech, welches wenigstens eine unidirektionale Faserlage aufweist. Ein Einsatz einer unidirektionalen Faserlage oder einer Mehrzahl unidirektionaler Faserlagen verhindert effektiv Matrixanhäufungen und somit Bereiche erhöhter Schwindung.
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Bevorzugt ist zusätzlich vorgesehen, dass das mehrlagige Halbzeug wenigstens eine Wirrfaservlieslage aufweist. Diese kann als Dämpfungsschicht wirken und ein Faserdurchdrücken durch die erwärmte Thermoplastmatrix verhindern.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Anspritzen des Anspritzkunststoffs und/oder in einem weiteren Spritzgussprozess, eine Randumspritzung durchgeführt wird. Hierdurch kann auf eine spätere Konturnachbearbeitung verzichtet werden, was zu einer Kostenreduktion führt und das Arbeiten in einer Wärme im Sinne einer One-Shot-Technologie ermöglicht. Des weiteren können Kanten des entstehenden Bauteils gleichzeitig durch Spritzgießen versiegelt werden, was verhindert, dass Faserenden aus dem Verbundbauteil vorstehen und es durch Verwitterung, insbesondere durch Einwirkung alkalischer Mediem, zu einer Glaskorrosion, kommt.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verbundbauteil nach dem Anspritzen abgekühlt wird, wonach eine Oberfläche des Verbundbauteils erneut erweicht, vorzugsweise aufgeschmolzen, wird, und wobei das Verbundbauteil einem Prägevorgang, vorzugsweise in dem Spritzgießwerkzeug, insbesondere einem Spritzprägevorgang, unterzogen wird. Dass das Verbundbauteil abgekühlt wird, schließt ein, dass das Verbundbauteil passiv abkühlen gelassen oder aktiv gekühlt wird. Besonders bevorzugt erfolgt nach dem Anspritzen des Anspritzkunststoffs ein Abkühlen des Verbundbauteils auf Entformungstemperatur, wobei eine Materialschwindung eintritt, wonach wiederum das Verbundbauteil im Bereich einer in Hinblick auf ihre Oberflächenqualität zu verbessernden Oberfläche erneut aufgeschmolzen wird, und wobei dann das gesamte Bauteil dem Prägevorgang unterzogen wird. Besonders bevorzugt wird nur und separat die in Hinblick auf ihre Qualität zu verbessernde Oberfläche des Verbundbauteils aufgeschmolzen, während andere Bereiche des Verbundbauteils nicht aufgeschmolzen werden. Insbesondere durch das erneute, separate Aufschmelzen der zu behandelnden Oberfläche werden Wärmespannungen, welche zu Einfallstellen führen können, gelöst, somit Einfallstellen reduziert oder verhindert, und der Oberfläche eine hohe Qualität entsprechend einer hochgenauen Eintuschierung der Kavitätswandung beim Prägehub verliehen.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Halbzeug und/oder eine in Hinblick auf ihre Oberflächenqualität zu verbessernde Oberfläche des Verbundbauteils mittels Infrarotstrahlung und/oder induktiv erwärmt wird. Besonders bevorzugt wird das Halbzeug induktiv erwärmt, wobei besonders bevorzugt die in Hinblick auf ihre Oberflächenqualität zu verbessernde Oberfläche induktiv erwärmt wird.
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Bei der Erwärmung wird vorzugsweise das Halbzeug durch dieselben Spannzangen gehalten, welche auch beim Umformen verwendet werden, wobei diese von ihren Servomotoren getrennt und in einem Spannrahmen angeordnet werden können. Nach dem Erwärmen können sie wieder von dem Spannrahmen gelöst und mit den ihnen zugeordneten Servomotoren verbunden werden. Die Spannzangen verhindern dabei vorteilhaft ein Durchhängen des biegeschlaffen Halbzeugs beim oder nach dem Erwärmen. Selbstverständlich ist aber auch möglich, für die Erwärmung des Halbzeugs andere, separate Spannzangen zu verwenden, als für das Umformen.
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Zum Erwärmen mittels Infrarotstrahlung wird vorzugsweise ein Infrarot-Ofen eingesetzt. Es ist auch möglich, dass die Erwärmung des Halbzeugs induktiv erfolgt, wobei dann bevorzugt in das Matrixmaterial des Halbzeugs und/oder in Fasern des Halbzeugs magnetisch wirksame Partikel eingearbeitet sind, beispielsweise Nanoferrite.
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Es ist möglich, dass die in Hinblick auf ihre Oberflächenqualität zu verbessernde Oberfläche des Verbundbauteils mittels Infrarotstrahlung, insbesondere mithilfe eines in das Spritzgießwerkzeug oder in ein separates Prägewerkzeug integrierten Infrarotstrahlers, erwärmt wird.
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Besonders bevorzugt wird die Oberfläche aber selektiv und separat induktiv erwärmt. Dabei ist es möglich, dass die Oberfläche gezielt durch eine inhomogene Verteilung von magnetisch wirksamen Partikeln induktiv erwärmbar ausgestaltet wird, wobei im Bereich der Oberfläche eine höhere Dichte an magnetisch wirksamen Partikeln vorliegt als in restlichen Bereichen des Verbundbauteils. Eine solche inhomogene Verteilung von magnetisch wirksamen Partikeln kann beispielsweise durch entsprechend geschickte Führung des Spritzgießverfahrens beim Anspritzen oder aber durch separates Anspritzen einer magnetisch wirksame Partikel umfassen Thermoplastschicht an das Halbzeug geschaffen werden. Es ist dann in besonders einfacher Weise möglich, selektiv nur die zu behandelnde Oberfläche aufzuschmelzen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verbundbauteil geschaffen wird, welches einen Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff sowie wenigstens eine Verstärkungsrippe aus schaumspritzgegossenem Kunststoff aufweist. Das Verbundbauteil ist bevorzugt hergestellt durch eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens. In Zusammenhang mit dem Verbundbauteil ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Besonders bevorzugt ist auch der schaumspritzgegossene Kunststoff, nämlich der Anspritzkunststoff, ein faserverstärkter Kunststoff, insbesondere ein kurzfaserverstärkter Kunststoff, besonders bevorzugt ein kurzglasfaserverstärkter Kunststoff.
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Das Verbundbauteil ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als Vorbauklappe für einen Lastkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug ausgebildet. Ein solches Bauteil lässt sich in besonders günstiger und einfacher Weise mit hoher Oberflächenqualität, insbesondere mit lackierfähiger Oberfläche, im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens herstellen.
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Im Folgenden wird noch eine konkrete Ausführungsform des Verfahrens im Detail beschrieben:
Vorzugsweise wird ein Roboterarm mit einem Aufbau verwendet, in welchen ein Vorformgreifer, eine Platinenaufnahme und eine Bauteilentnahme integriert sind, welche über eine Drehbewegung des Roboterarms angewählt werden können. Der Roboterarm fährt zu einer Entnahmekassette und saugt mit einem insbesondere balgförmigen Silikonvakuumsauger ein kaltes Organoblech als Halbzeug an und fährt damit zu einer Vorformstation. Das kalte Organoblech wird an mechanische, über Servomotoren gesteuerte Spannzangen übergeben und fixiert, sodass der Roboterarm wieder zurückfahren kann. Ein ausfahrbarer Spannrahmen fährt aus, und die Spannzangen werden samt Organoblech an den Spannrahmen gekoppelt, wobei sie von ihren Servomotoren abgekoppelt werden.
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Das Organoblech fährt nun, an den Spannrahmen gekoppelt, in einen Infrarot-Ofen, wo es insbesondere bis auf 290°C – vorzugsweise eine Temperatur, die größer ist als die Glasübergangstemperatur des Matrixkunststoffs – aufgeheizt wird. Der Spannrahmen fährt danach aus dem Infrarot-Ofen aus, und die Spannzangen werden wieder mit den Servomotoren gekoppelt, während sie samt dem erwärmten Organoblech von dem Spannrahmen entkoppelt werden. Der Roboterarm stellt die integrierte Vorformstation bereit. Dabei kann vorteilhaft aufgrund der realisierbaren, niedrigen Umformgrade bei Herstellung eines Vorbauklappen-Mittelteils auf eine zweiteilige Vorformstation mit Vor- und Nacheiler verzichtet werden. Sowohl die vorkonfektionierte Organoblech-Platine, als auch das biegeschlaffe Organoblech werden vorzugsweise von denselben Spannzangen gehalten.
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Das Organoblech wird nun in das Vorformwerkzeug eingelegt, und die Spannzangen fahren zurück. Die Werkzeughälften des Vorformwerkzeugs fahren zu, und das Organoblech wird in einer Kavität des Vorformwerkzeugs vorgeformt. Auf diese Weise wird der Vorformling gebildet. Dieser wird von vorzugsweise im Vorformwerkzeug integrierten Vakuumsaugern angesaugt und durch den Roboterarm zu dem Spritzgießwerkzeug verlagert. Der Roboterarm positioniert sich in dem bevorzugt induktiv beheizten Spritzgießwerkzeug und übergibt den Vorformling an eine Düsenseite desselben, in dem vorzugsweise ebenfalls Vakuumsauger integriert sind. Danach fährt der Roboterarm aus dem Spritzgießwerkzeug aus, und dieses schließt sich, wobei der Vorformling vorzugsweise durch die Schließkraft des Spritzgießwerkzeugs fertiggeformt wird. Anschließend wird der Vorformling mit kurzfaserverstärktem Kunststoff durch Schaumspritzgießen hinterspritzt, bevor eine bevorzugt in einer Auswerferseite des Spitzgießwerkzeugs angeordnete Induktionsspule eine den angespritzten Verstärkungsrippen gegenüberliegende Seite, welche später eine erhöhte Oberflächenqualität aufweisen soll, oberflächig aufschmilzt. Insbesondere durch zwei Prägezylinder wird nun ein Prägestempel des Spritzgießwerkzeugs um wenige Zehntel, vorzugsweise um mindestens 0,1 mm bis höchstens 0,2 mm, weiter in Schließrichtung verfahren und prägt somit die zuvor aufgeschmolzene Oberfläche. Die Induktionsspule wird abgeschaltet, und das derart ausgebildete Verbundbauteil wird abgekühlt.
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Beim Auffahren des Spritzgießwerkzeugs fahren vorzugsweise umlaufende Zwangsabstreifer aus der Auswerferseite heraus, um zu verhindern, dass das Verbundbauteil durch den Volumenschwund insbesondere im Bereich der Verstärkungsrippen auf der Düsenseite verbleibt. Ein Robotergreifereinsatz fährt in die Spritzgießmaschine und entnimmt das fertige Verbundbauteil. Hierbei wird vorzugsweise ein Entnahmemodul des Roboterarms mit integrierten, verfahrbaren Vakuumsaugern genutzt. Zuletzt wird das fertige Verbundbauteil von dem Roboterarm in eine Ablagekassette abgelegt, und die Vakuumsauger werden abgeschaltet.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Verbundbauteils andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale des Verbundbauteils, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verbundbauteils. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verbundbauteil erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verbundbauteils bedingt ist. Das Verbundbauteil zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundbauteils.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundbauteils 1. Dabei wird zunächst – in einem nicht dargestellten Verfahrensschritt – ein Halbzeug 3 aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere ein Organoblech und bevorzugt eine Organoblech-Platine, welche eine thermoplastische Matrix aufweist, erwärmt, insbesondere mittels Infrarotstrahlung und bevorzugt in einem Infrarot-Ofen.
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Das derart erwärmte Halbzeug 3 wird – wie bei a) dargestellt – in ein Umformwerkzeug 5 eingelegt, und in dem Umformwerkzeug 5 zu einem Vorformling 7 umgeformt, insbesondere tiefgezogen. Dabei wird das erwärmte Halbzeug 3 von Spannzangen 9 gehalten, die beim Umformen mittels Servomotoren 11 in einer Ebene des Halbzeugs 3 und vorzugsweise zusätzlich in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Halbzeugs 3 verlagerbar sind. Hierdurch können Zugkräfte auf das Halbzeug 3 ausgeübt werden, welche eine Faltenbildung beim Umformen verringern oder vermeiden helfen.
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Bei b) ist dargestellt, dass das Umformwerkzeug 5 geschlossen ist und der Vorformling 7 ausgebildet wird.
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Anschließend wird das Umformwerkzeug 5 geöffnet, und der Vorformling 7 wird – wie bei c) dargestellt – durch einen Roboterarm 13, an dem vorzugsweise ein Werkzeugteil 15, insbesondere ein Unterwerkzeug des Umformwerkzeugs 5 angeordnet ist, von dem Umformwerkzeug 5 entfernt und in ein Spritzgießwerkzeug 17 überführt.
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Anschließend wird der Roboterarm 13 entfernt, und das Spritzgießwerkzeug 17 wird geschlossen, was bei d) dargestellt ist.
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Bei e) ist dargestellt, dass in dem Spritzgießwerkzeug 17 ein Anspritzkunststoff an den Vorformling 7 angespritzt wird, nämlich durch Schaumspritzgießen, wobei Verstärkungsrippen 19 ausgebildet werden, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur eine Verstärkungsrippe mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnet ist. Insbesondere wird als Anspritzkunststoff ein kurzfaserverstärkter Kunststoff, bevorzugt ein kurzglasfaserverstärkter Kunststoff verwendet. Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Verstärkungsrippen in Form einer hexagonalen Wabenstruktur an den Vorformling 7 angespritzt. Es ist weiterhin möglich, dass beim Anspritzen des Anspritzkunststoffs und/oder in einem zusätzlichen Spritzgießprozess wenigstens eine Anbindungsfläche, wenigstens ein Fügeteil, wenigstens ein Halter und/oder wenigstens eine Konsole ausgebildet werden.
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Vorzugsweise wird das durch das Anspritzen des Anspritzkunststoffs an den Vorformling 7 erhaltene Verbundbauteil 1 noch in dem Spritzgießwerkzeug 17 abkühlen lassen, wobei danach – wie bei f) dargestellt – eine selektive Erwärmung einer in Hinblick auf ihre Oberflächenqualität zu verbessernde Oberfläche 21, welche den Verstärkungsrippen 19 abgewandt ist, induktiv mittels einer Induktionsspule 23 erweicht, vorzugsweise aufgeschmolzen wird. Hierzu sind bevorzugt im Bereich der Oberfläche 21 magnetisch wirksame Partikel, insbesondere Nanoferrite, in dem Kunststoff, insbesondere in dem Matrixkunststoff, des Verbundbauteils 1 angeordnet.
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Die Kavität des Spritzgießwerkzeugs 17 wird dann vorzugsweise mittels zweier Hubstempel 25 weiter geschlossen als für das Spritzgießen, wobei ein Prägehub bewirkt wird. Das Verbundbauteil 1 wird insoweit nach dem Anspritzen des Anspritzkunststoffs einem Prägevorgang unterzogen, wobei durch das erneute Erwärmen, insbesondere Erweichen oder Anschmelzen, der Oberfläche 21 und den Prägevorgang Wärmespannungen in der Oberfläche 21 gelöst werden und damit Einfallstellen vermindert oder verhindert werden können. Weiterhin kann die Oberflächenqualität der Oberflächen 21 entsprechend einer hochgenauen Eintuschierung der Kavitätswand des Spritzgießwerkzeugs 17 gesteigert werden.
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Der Prägehub beträgt bevorzugt von mindestens 0,05 mm bis höchstens 0,2 mm, besonders bevorzugt von mindestens 0,1 mm bis höchstens 0,18 mm.
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Anschließend wird – wie bei g) dargestellt – das Spritzgießwerkzeug 17 geöffnet, und das Verbundbauteil 1 wird mittels Zwangsabstreifern 27 von dem Spritzgießwerkzeug 17 gelöst.
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Bei h) ist dargestellt, dass das nunmehr das fertige Verbundbauteil 1 aus dem Spritzgießwerkzeug 17 wiederum durch den Roboterarm 13 entnommen wird.
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Bei i) ist das fertige Verbundbauteil 1 dargestellt. Dieses umfasst einen Grundkörper 29 aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus endlosfaserverstärktem Kunststoff, sowie die Verstärkungsrippen 19 aus schaumspritzgegossenem Kunststoff, insbesondere aus schaumspritzgegossenem, faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus schaumspritzgegossenem, kurzfaserverstärktem, insbesondere kurzglasfaserverstärktem Kunststoff.
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Das Verbundbauteil 1 ist bevorzugt als Vorbauklappe für einen Lastkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug ausgebildet. Entsprechend wird bevorzugt im Rahmen des Verfahrens ein solches Verbundbauteil als Vorbauklappe für einen Lastkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug hergestellt.
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Im Rahmen des Verfahrens wird als Halbzeug 3 bevorzugt ein mehrlagiges Halbzeug, insbesondere ein mehrlagiges Organoblech, verwendet, welches wenigstens eine unidirektionale Faserlage aufweist. Vorzugsweise weist das mehrlagige Halbzeug zusätzlich wenigstens eine Wirrfaservlieslage, insbesondere als Dämpfungsschicht und/oder zur Verhinderung eines Faserdurchdrückens durch die erwärmte Thermoplastmatrix, auf.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens ein Verbundbauteil 1 bereitgestellt werden kann, welches eine hohe Oberflächenqualität aufweist, welche Anforderungen für die Außenhaut eines Kraftfahrzeugs genügt und insbesondere lackierbar, insbesondere mittels kathodischer Tauchlackierung (KTL) lackierbar, ist. Dabei kann insbesondere ein Abzeichnen der Verstärkungsrippen 19 auf der Oberfläche 21, welche eine Sichtoberfläche des Verbundbauteils 1 darstellen kann, vermieden werden, sodass die Oberfläche 21 eine sehr hohe Oberflächenqualität aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012018801 A1 [0002]