DE10320331A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteiles mit einem Einlieger sowie nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteiles mit einem Einlieger sowie nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteiles (1) mit einer Verstärkung (12), ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil (1) sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens; um diese Aufgabe zu lösen, Glasfasereinlieger in Bezug auf ihre Lage und Orientierung zu optimieren, wird vorgeschlagen, dass ein aus Kunststoff und Glasfasern (13) bestehender Einlieger (12) vorab in einem ersten Werkzeug (15) derart hergestellt wird, dass seine Form dem zu verstärkenden Bereich des Kunststoffbauteiles (1) entspricht und die Glasfasern (13) eine den auftretenden Kräften im Wesentlichen angepasste Orientierung haben, dass der in dieser Weise vorab hergestellte Einlieger (12) in die Kavität eines zweiten Werkzeuges (21) für das Kunststoffbauteil (1) selbst eingelegt wird und dass der Einlieger (12) im zweiten Werkzeug durch zumindest teilweises Umspritzen, Umpressen oder durch ein ähnliches Verfahren in die Geometrie des Kunststoffbauteiles (1) eingebettet wird.

Description

  • Kunststoffbauteile der hier betroffenen Art werden in vielfacher Form, Größe und Gestalt, z.B. als Halbzeuge, hergestellt. Im eingebauten Zustand sind sie Belastungen ausgesetzt, die lokal stark schwanken können. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Kunststoffbauteile herzustellen, die den unterschiedlichen Belastungen Rechnung tragen.
  • Aus der europäischen Patentschrift 370 342 ist es bekannt, Kunststoffbauteile herzustellen, die aus einem Grundkörper aus Metall- oder Kunststoffblech sowie Verstärkungsrippen bestehen. Die gegenseitige Befestigung der Bauelemente erfolgt über diskrete Verbindungsstellen. Hinweise auf zusätzliche lokale Verstärkungen, die lokal erhöhten Belastungen standhalten sollen, enthält die genannte Schrift nicht.
  • Es ist weiterhin bekannt, Kunststoffbauteile, die durch Spritzgießen, Pressen o.ä. Verfahren hergestellt werden, in Bereichen, in denen erhöhte Belastungen zu erwarten sind, mit Glasfaserverstärkungen auszurüsten. Insbesondere im Hinblick darauf, dass die Komplexität der Geometrien der hier betroffenen Kunststoffbauteile ständig zunimmt, ist es häufig nicht mehr möglich, die zur Herstellung der Bauteile notwendigen Werkzeuge in faserverbundgerechter Form auszubilden. Die Orientierung der Glasfasern ist in Bezug auf die auftretenden Kräfte nicht optimiert. Veränderte Einlagen des Materials oder verfahrenstechnische Variationen, die diesen Mangel beheben, sind nicht möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kunststoffbauteile der hier betroffenen Art in Bereichen mit erhöhter Belastung mit Glasfasereinliegern auszurüsten, die in Bezug auf ihre Lage und die Orientierung der Glasfasern optimiert sind.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
  • Die Erfindung erlaubt es, fließtechnisch und prozessoptimierte Kunststoffbauteile herzustellen, die gezielt in Bereichen mit höheren Belastungen höhere Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Der Einlieger ist integrierter Bestandteil des Gesamtbauteiles. Da der Einlieger selbst in einem unabhängigen Werkzeug hergestellt wird, bestehen die bereits erwähnten Optimierungsmöglichkeiten. Selbst Kunststoffbauteile mit äußerst komplexen Geometrien können gezielt mit einer oder mehreren optimierten Verstärkungen ausgerüstet werden, was bis heute nicht – oder zumindest nicht ohne erheblichen technischen Aufwand – möglich war.
  • Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Kunststoffbauteile, die eine Endlosglasfaserverstärkung in ihren Belastungsrichtungen über ein endlosglasfaserverstärktes Bauteil mit gleicher oder ähnlicher Matrix aufweisen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt im Einsparen von einem eventuell benötigten Metalleinleger mit den entsprechenden Bauteilkosten und Investitionskosten für dieses Metallbauteil. Ein Korrosionsschutz kann entfallen. Ein weiterer Vorteil sind die erheblich verbesserten Recyclingmöglichkeiten eines Bauteils mit der Endlosglasfaserverstärkung, das ohne zusätzliche metallene Verstärkungselemente auskommt. Auch ist es ein Vorteil, dass das endlosglasfaserverstärkte Bauteil in dem weiteren Bauteil als biegesteifes Bauteil eingelegt werden kann, was das gesamte Handling, die Industrialisierung und die Automatisierung wesentlich vereinfacht. Es ist auch ein Vorteil, dass Kunststoffteile im Vergleich zu gleich großen, ähnlich gestalteten Bauteilen eine bessere Dimensionsstabilität und kleinere Toleranzen aufweisen, was in diesem Zusammenhang die Herstellung von Strukturbauteilen mit tragenden Funktionen dadurch erleichtert, dass sich dieses vorgefertigte endlosglasfaserverstärkte Bauteil wesentlich leichter in ein entsprechendes Werkzeugkonzept für ein größeres weiteres Bauteil integrieren lässt. Auch ist ein Vorteil, dass beim Einsatz eines verstärkten Kunststoffbauteiles bei Änderungen an dem großen Bauteil nur Änderungen an einem weiteren Bauteil geschehen müssen, während bei entsprechenden Stahlbauteilen die Änderungen meistens mehrere Verbundwerkzeuge betreffen, was solche Änderungen maßgeblich preislich und terminlich beeinflusst. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu entsprechenden Hybridbauteilen ist, dass die Anbindung von Rippen zwischen dem Grundkörper und dem Schalenkörper nicht in verschiedenen diskreten Verbindungen stehen oder über Durchbrüche sondern durch eine direkte Anbindung der Matrixen der verschiedenen Bauteile geschehen kann.
  • Schließlich liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass die Herstellung des Gesamtbauteils im zweiten Werkzeug ohne weiteres durch Pressen erfolgen kann. Die Gefahr, dass der Pressvorgang die optimale Lage der Endlosfasern nachteilig verändert, besteht nicht mehr. Die Erfindung vereinfacht die Herstellung von Bauteilen mit lokalen Endlosfaserverstärkungen mit sehr komplexen Geometrien erheblich.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von den 1 bis 6 erläutert werden, die die Art und Weise der Herstellung eines jeweils stark vereinfacht dargestellten Bauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erkennen lassen. Es zeigen:
  • 1 das Bauteil in der Form, wie es nach seiner Herstellung aufgebaut sein soll,
  • 2 einen Schnitt durch das Bauteil nach 1 in Höhe der Linie A-A,
  • 3 die Herstellung eines Vorformlings in einem ersten Werkzeug und
  • 4 bis 6 die Herstellung des Bauteils selbst in einem zweiten Werkzeug.
  • Das in der 1 dargestellte Bauteil 1 hat in etwa die Form eines dreiseitig offenen Würfels. Sichtbar sind zwei geschlossene Seiten 2, 3 und eine offene Seite 4. Auf zwei Seiten ist die offene Seite 4 durch die Ränder 5, 6 der geschlossenen Seiten 2, 3 begrenzt.
  • Das Bauteil 1 soll beispielsweise ein Haubenbauteil sein. Mit dem sich im wesentlichen vertikal erstreckenden Rand 5 der Seite 2 ist es an einem nicht dargestellten Fahrzeug um die vertikale Achse 7 schwenkbar befestigt. Die Befestigungspunkte sind mit 8 und 9 bezeichnet.
  • Der Pfeil 11 in 1 lässt die maßgebliche Belastung des Bauteils 1, verursacht durch die Gravitationskraft, erkennen. Ein in das Bauteil 1 eingebetteter Einlieger 12 stellt eine Verstärkung dar, die die Verformung des Bauteils 1 verhindert. Es handelt sich um ein um 90° abgewinkeltes Verstärkungsbauteil 12, das sich in unmittelbarer Nähe der und parallel zu den Rändern 5, 6 des Haubenbauteils 1 erstreckt. Strichpunktierte Linien 13, die den Einlieger 12 durchsetzen, sollen erkennen lassen, dass es sich dabei um ein Verstärkungsbauteil mit einer Endlosglasfaserverstärkung handelt. Auch der Teilschnitt nach 2 zeigt die Position des in das Haubenbauteil 1 eingebetteten Verstärkungsbauteils 12.
  • 3 zeigt ein erstes Werkzeug 15, mit dessen Hilfe der Einlieger 12 als Vorformling hergestellt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Presswerkzeug mit. einem Stempel 16 und einer Matrize 17. Die Form der Kavität dieser Presse 15 entspricht der Form des gewünschten Einliegers 12, der ebenfalls dargestellt ist.
  • 4 zeigt ein zweites Werkzeug, das der Herstellung des Gesamtbauteils 1 dient. Es handelt sich ebenfalls um ein Presswerkzeug 21 mit einem Stempel 22 und einer Matrize 23. Die Form der Kavität des Werkzeugs 21 entspricht der Form des Gesamtbauteils 1.
  • 4 lässt erkennen, dass zunächst der Vorformling 12 in die Kavität des Werkzeugs 21 eingelegt wird, und zwar dort, wo er bei fertiggestelltem Bauteil 1 seine Verstärkungszwecke erfüllen soll.
  • 5 zeigt nochmals den Stempel 22 mit eingelegtem Vorformling 12 sowie der noch zu verformenden Restmasse 24 des Bauteils 1, in die der Vorformling 12 eingebettet wird.
  • 6 zeigt schließlich den Stempel 22 und das Haubenbauteil 1 nach dem Pressvorgang.
  • Dem anhand der 1 bis 6 erläuterten Herstellverfahren geht die Analyse der Belastungen des Bauteils 1 voraus, um die Geometrie des Einliegers 12 festzulegen. In aller Regel kann seine äußere Form sehr einfach sein, da viele der Bauteilerfordernisse auch von nicht verstärkten Bereichen erfüllt werden können. Die Geometrie des Einliegers 12 und die Ausrichtung der Fasern der Endlosglasfaserverstärkung werden derart gewählt, dass sie die auftretenden Belastungen optimal aufnehmen können. In 1 ist durch die strichpunktierte Linien 13 die für die beschriebene Belastung optimierte Ausrichtung der Endlosglasfaserverstärkung dargestellt, d.h., dass sich der Länge des abgewinkelten Einliegers 12 entsprechende Glasfasern von einem schmalen Ende des Einliegers 12 bis zu seinem anderen Ende erstrecken.
  • Der mit einer optimalen Faserverstärkung ausgerüstete Vorformling 12 wird nach seiner Herstellung (3) in das Werkzeug 21 (4) eingelegt. Bei dem sich anschließenden Herstellen des Gesamtbauteils 1 ist es wichtig, dass der Einlieger 12 eine Position hat und beibehält, die der gewünschten Lage des Verstärkungsbauteils 12 im Gesamtbauteil 1 entspricht. Wenn die Ränder der Kavität im Werkzeug 21 die Einhaltung der korrekten Position nicht gewährleisten können, ist es zweckmäßig, am Werkzeug 21 Positionssysteme in Form von Noppen, Zapfen, voreilende Haltestifte o.dgl. vorzusehen. Auch Einkerbungen und/oder Einzüge im Werkzeug 21 sind denkbar. Vorzugsweise ist der Stempel 22 mit derartigen Elementen ausgerüstet. Möglich ist schließlich auch, am Einlieger 12, z.B. bei seiner Herstellung im Werkzeug 15, Dome oder Rippen vorzusehen, die der richtigen Positionierung im Werkzeug 21 dienen.
  • Von Bedeutung ist weiterhin, dass zwischen dem Einlieger 12 und der übrigen Masse des Bauteils 1 eine innige Verbindung besteht. Sollte diese z.B. aus Gründen der Werkstoffauswahl allein durch das Umpressen oder Umspritzen des Einliegers 12 nicht gewährleistet sein, ist es zweckmäßig, den Vorformling 12 mit irgendwie gearteten Hinterschneidungen, Bohrungen, Rippen, Noppen, Dome o.dgl. auszurüsten, in die das zu umpressende bzw. zu umspritzende Material eindringen kann oder mit denen dieses Material kraftschlüssig zur Anlage kommt.
  • In Bezug auf die Werkstoffwahl ist es zweckmäßig, gleiche Matrix-Materialien für den Einlieger 12 und das Bauteil 1 zu verwenden. Beim Umpressen/Umspritzen des Verstärkungsbauteils 12 im zweiten Werkzeug 21 wird die Oberfläche des Vorformlings 12 angeschmolzen und dadurch die gewünschte innige Verbindung erreicht.
  • Die Verwendung von Werkstoffen mit einer duroplastischen Matrix, wie SMC (Sheet Mould Compound), hat den Vorteil, dass sie mit geheizten Werkzeugen im Pressverfahren zu relativ großflächigen, lackierbaren, in der erfindungsgemäßen Weise mit Glasfaserverstärkungen ausgerüsteten robusten Bauteilen verarbeitet werden können. Auch BMC (Bulk Mould Compound) ist ein Material, das sich für die Verwendung bei der Herstellung von Bauteilen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als geeignet erwiesen hat.
  • Bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien – z.B. SMC und GLF (Duroplaste, Thermoplaste, z.B. Polypropylen) – sind Haftvermittler erforderlich, die z.B. mittels polarer (Chlor) und unpolarer (Polyolefine) Komponenten für eine Verbindung beider Materialien sorgen. Zweckmäßig werden für das Bauteil 1 ein SMC-Werkstoff, für den Einlieger 12 ein GLF-Werkstoff verwendet.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteiles (1) mit einer Verstärkung (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Kunststoff und Glasfasern (13) bestehender Einlieger (12) vorab in einem ersten Werkzeug (15) derart hergestellt wird, dass seine Form dem zu verstärkenden Bereich des Kunststoffbauteiles (1) entspricht und die Glasfasern (13) eine den auftretenden Kräften im wesentlichen angepasste Orientierung haben, dass der in dieser Weise vorab hergestellte Einlieger (12) in die Kavität eines zweiten Werkzeuges (21) für das Kunststoffbauteil (1) selbst eingelegt wird und dass der Einlieger (12) im zweiten Werkzeug durch zumindest teilweises Umspritzen, Umpressen oder durch ein ähnliches Verfahren in die Geometrie des Kunststoffbauteiles (1) eingebettet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Herstellverfahren eine Analyse der Belastungen des gewünschten Bauteils (1), die Festlegung der Geometrie des Einliegers (12) sowie die Bestimmung der Ausrichtung der Fasern (13) im Einlieger (12) vorhergehen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (12) zur Sicherung seiner Position im zweiten Werkzeug (21) mit Vorsprüngen oder Aussparungen versehen wird, die mit entsprechenden Aussparungen bzw. Vorsprüngen im Werkzeug (21) korrespondieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (12) zur Sicherung einer innigen Verbindung mit dem Material, mit dem er umpresst oder umspritzt wird, mit Hinterschneidungen, Boh rungen o.dgl. versehen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Bauteil (1) und Einlieger (12) gleiche Matrixmaterialien verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Bauteil (1) und Einlieger (12) unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet werden und dass zur Herstellung ihrer innigen Verbindung Haftvermittler eingesetzt werden.
  7. Für die Durchführung eines Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen geeignete Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Spritzguss- oder Presswerkzeuge (15, 21) ausgebildet sind, dass die Kavität des ersten Werkzeuges (15) die Geometrie des Einliegers (12) hat und dass die Kavität des zweiten Werkzeuges (21) die Geometrie des Gesamtbauteils (1) hat.
  8. Werkzeuge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Kavitäten mit zueinander korrespondierenden Profilierungen ausgerüstet sind, die der Sicherung der Position des Einliegers (12) im zweiten Werkzeug (21) dienen.
  9. Werkzeuge nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zweite Werkzeug (21) heizbar ist.
  10. Werkzeuge nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Presswerkzeuge mit Stempel und Matrize ausgebildet sind.
  11. Nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 hergestelltes Kunststoffbauteil (1), dadurch gekennzeichnet, dass es einen aus Kunststoff und Glasfasern bestehenden Einlieger (12) aufweist, der im zu verstärkenden Bereich des Kunststoffbauteiles (1) durch zumindest teilweises Umspritzen, Umpressen oder durch ein ähnliches Verfahren in die Geometrie des Kunststoffbauteiles eingebettet ist.
  12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial von Einlieger (12) und Bauteil (1) identisch ist.
  13. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für Einlieger (12) und Bauteil (1) unterschiedlich ist.
  14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlieger (12) aus einem GLF- und das Bauteil (1) aus einem SMC- oder BMC-Werkstoff besteht.
  15. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlieger (12) mit Vorsprüngen, Aussparungen, Bohrungen o.dgl. ausgerüstet ist, die der Sicherung der Position des Einliegers (12) im zweiten Werkzeug (21) und/oder der Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Einlieger (12) und Bauteil (1) dienen.
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