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Verfahren zur Herstellung von Profilleisten und Hohlprofilkörpern und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Profilleisten und Hohlprofilkörpern, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Profilleisten und Hohlprofilträgern für Fahrzeuge, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
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Aus der Druckschrift
DE 196 35 357 A1 ist ein Verfahren und ein Werkzeugsystem zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Profilen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden faserverstärkte Strangpressprofile aus einer Kunststoffmatrix mit eingelagerten Aluminiumfasern hergestellt. Durch das Strangpressen entsteht bereits das Profil aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise einem Thermoplasten, und in dieses stranggepresste Profil werden noch während des Strangpressens Langfasern in das stranggepresste Profil eingeschmolzen.
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Aus der Druckschrift
DE/EP 0 093 748 T1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Profilen aus mit faserverstärktem thermoplastischen Harz und so hergestellten Profilen bekannt. Dazu offenbart die Druckschrift ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Profilteilen aus durchgehend in einer Richtung verlaufenden Fasern, die in ein thermoplastisches Harz eingebettet sind, bei welchem eine Bahn aus parallelen Fasern mit Harzteilen imprägniert wird, anschließend das Harz geschmolzen wird, das Profilteil geformt und abgekühlt wird.
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Dazu wird die Faserbahn in ein Bad aus Harzteilen eingetaucht und die Teilchen auf mechanische Weise veranlasst, in die Bahn einzudringen, wobei der Überschuss an Teilchen entfernt wird, um den gewünschten Harzanteil in Bezug auf die Fasern zu erreichen. Zum mechanischen Einpressen der Harzteilchen in einem Band aus Fasern werden Rollen oder Walzen eingesetzt und das eingewalzte Harz geschmolzen und abschließend das faserverstärkte Kunststoffband zwischen zwei abgekühlten Zylindern in eine Bandform gebracht.
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Eine Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um aus einem faserverstärkten Kunststoffband Profilleisten und Hohlprofilkörper für Fahrzeuge kostengünstig herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
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Ein Durchführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung von Profilleisten weist die nachfolgenden Schritte auf. Zunächst wird ein Organoblechband bereitgestellt. Anschließend wird das Organoblechband im Durchlauf auf eine Verformungstemperatur aufgeheizt. Danach erfolgt das Profilieren des Organoblechbandes im Durchlauf mittels Profilierungsrollen. Abschließend kann das rollenprofilierte Organoblechband auf eine vorgegebene Profilleistenlänge abgelängt werden.
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Organoblech bezeichnet einen faserverstärkten Kunststoff, der aufgrund seiner Dimensionen eine Blechgestalt aufweist.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nahezu eine beliebige Zahl von Profilleisten kostengünstig im Durchlauf hergestellt werden können. Für das Rollenprofilieren sind jedoch eine Mehrzahl von Rollenstufen in entsprechenden Profilrollerkammern erforderlich. Durch das Verfahren kann jedoch eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Profilquerschnitte hergestellt werden. Einige mögliche Profilquerschnitte werden in den anhängenden Figuren näher erläutert. Dazu erfolgt das Profilieren in mehreren Rollenprofilierungsstufen bis derartige Profile hergestellt sind.
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Zur Herstellung von Profilbauteilen in jeder beliebigen Ausführungsform und jedem beliebigen Profilquerschnitt aus Organoblech werden bei diesem Verfahren Rollenumformwerkzeuge in den Profilierungskammern eingesetzt und zumindest in einer ersten Aufheizkammer wird ein Wärmeofen vorgeschaltet, wobei je nach Länge der erforderlichen Rollenumformwerkzeuge bzw. der Anzahl der notwendigen Rollenprofilierungsstufen zur Herstellung der Profilform weitere Zwischenaufheizkammern mit entsprechenden Wärmeöfen zwischengeschaltet sein können.
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Während der Rollenprofilierung müssen die Organoblechbänder, die Folien aus Thermoplasten mit kontinuierlichen Faserverstärkungen aus Karbon, Glas oder Aramitfasern sind, in einem Erweichungstemperaturbereich des Thermoplastes gehalten werden, der vorzugsweise zwischen 150°C und 350°C liegt, so dass ein bevorzugter Verformungstemperaturbereich zwischen 200°C und 300°C ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Zwischenaufheizen eines teilweise rollenprofilierten Organoblechbandes zwischen den Rollenprofilierungsstufen durchgeführt wird, wenn ein vorgegebener Verformungstemperaturschwellwert bei dem mehrstufigen Rollenprofilierungen erreicht wird. Der Verformungstemperaturschwellwert für das Zwischenaufheizen liegt bei 5°C über der unteren Erweichungstemperatur des Organoblechbandes.
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Das Organoblechband ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Prepreg-Halbzeug auf einer Organoblechbandspule aufgewickelt und wird bei dem erfindungsgemäßen Durchlaufverfahren von einer derartigen Organoblechbandspule abgewickelt.
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Dabei kann in einer weiteren Durchführungsform der Erfindung vorgesehen werden, dass nach dem Aufheizen und vor dem mehrstufigen Rollenprofilieren zunächst Versteifungssicken in das Organoblechband eingeprägt werden, um die Formstabilität der Profilleiste zu erhöhen.
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Die mit dem Rollenumformverfahren hergestellten Profile aus Organoblechbändern weisen eine flexible Formgestaltung bei hoher Steifigkeit auf. Außerdem ist es möglich aus zwei Organoblechprofilbändern durch Verschweißen einen jeweils geschlossenen Profilkasten für Hohlprofilkörper oder Hohlprofilträger für Fahrzeugkarosserien herzustellen. Hierzu können die bekannten Schweißverfahren wie Reibschweißung, Vibrationsverschweißung und/oder elektromechanische Pulverschweißungen zur Anwendung kommen. Auf diese Weise können kostengünstig Hohlprofile für den Fahrzeugbau bereitgestellt werden.
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Ein grundsätzlicher Vorteil des Einsatzes von Organoblechen als Profilleisten oder Hohlprofile im Kraftfahrzeugbau liegt in der Gewichtsreduzierung, die für den Kraftfahrzeugbetrieb eine Brennstoffverminderung in vorteilhafter Weise nach sich zieht. Außerdem ist es von Vorteil, dass die Fertigung im Vergleich zu den bisher eingesetzten Tiefziehverfahren zur Erzeugung von Profilleisten für den Kraftfahrzeugbau kostengünstiger ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Herstellungsverfahrens von Profilleisten oder Holprofilkörper für Fahrzeuge, wie es oben beschrieben wurde, weist mindestens eine Aufheizkammer mit einem Aufnahmebereich eines Organblechbandes von einer Organoblechbandspule auf. Ferner weist die Vorrichtung mindestens eine Profilierungskammer mit mindestens einer Rollenprofilierungsstufe auf. Schließlich ist an die Vorrichtung eine Ablängvorrichtung angebaut zum Ablängen eines rollenprofilierten Profilstrangs auf eine vorgegebene Profelleistenlänge beim Ausfahren des Profilstranges aus der mindestens einen Profilierungskammer.
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Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Profilleisten im Durchlaufverfahren durch die Vorrichtung hergestellt werden können, ohne dass Düsen oder Strangpressdüsen erforderlich sind.
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Die Vorrichtung kann darüber hinaus eine erste Rollenprofilierungskammer und eine zweite Rollenprofilierungskammer aufweisen, zwischen denen ein Zwischenaufheizkammer angeordnet ist, um sicherzustellen, dass die Verformungstemperatur nicht unter einen Verformungstemperaturschwellwert sinkt. Dieser Verformungstemperaturschwellwert richtet sich nach der untersten Erweichungstemperatur des Organoblechbandes und sollte mindesten 5°C über dieser unteren Erweichungstemperatur TuE liegen.
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Anstelle von einer ersten und einer zweiten Profilierungskammer kann die Vorrichtung beliebig viele Profilierungskammern aufweisen, zwischen denen jeweils eine Zwischenaufheizkammer angeordnet ist, um die Organoblechtemperatur beim Rollenverformen in dem erforderlichen Verformungstemperaturbereich mit 150°C ≤ TV ≤ 350°C, vorzugsweise mit 200°C ≤ TV ≤ 300°C zu halten.
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Zur Prüfung, Erfassung und Regelung der Temperatur kann jede der Kammern entsprechende Temperatursensoren aufweisen, damit das Organoblech während der Verarbeitung im Erweichungstemperaturbereich des Thermoplasten verbleibt.
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Ein Durchführungsbeispiel zur Herstellung von Profilleisten und Hohlprofilkörpern für Fahrzeuge sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Profile unterschiedlicher Profilleisten und Hohlprofilkörper werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Prinzipskizze des Verfahrens zur Herstellung von Profilleisten aus einem Organoblechband;
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Profilleisten aus einem Organoblechband;
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3 zeigt schematisch mit den 3a und 3b ein Rollenprofilieren eines Organoblechbandes mit einer Organoblechbandbreite zu einer Profilleiste mit einem Profilumfang;
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4 zeigt schematische Querschnitte mit den 4a bis 4f von rollenprofilierten Profilleisten;
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5 zeigt mit den 5a und 5b ein Herstellen von Hohlprofilkörpern aus rollenprofilierten Profilleisten.
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1 zeigt eine Prinzipskizze des Verfahrens zur Herstellung von Profilleisten 50 aus einem Organoblechband 1. Das Organoblechband 1 ist ein Halbzeug aus langfaserverstärktem thermoplastischen Kunststoff mit einer Organoblechbandbreite s, welche dem Profilumfang der Profilleiste 50 entspricht und einer Organoblechbanddicke d, wie sie in den nachfolgenden Figuren gezeigt wird. Während sich die Organoblechbandbreite s nach dem Profilumfang der herzustellenden Profilleiste 50 oder eines herzustellenden Hohlprofilkörpers richtet, liegt die Organoblechbanddicke in einem Bereich zwischen 0,5 mm ≤ d ≤ 3 mm. Ein derartiges Organoblechband 1 kann bei einer Temperatur TV zwischen 150°C ≤ TV ≤ 350°C verformt werden. Dazu wird das Organoblechband 1 im Durchlauf durch eine Aufheizkammer 6 geführt und auf die erforderliche Verformungstemperatur erwärmt. Anschließend durchläuft das erwärmte Organoblechband Rollenwerkzeuge in einer Profilierungskammer 30, die mehrere Profilierungsstufen 3 umfassen kann, bis das zumindest teilweise rollenprofilierte Organoblechband 8 auf einen Verformungstemperaturschwellwert TS, der mindestens um 5°C größer als die unterste Erweichungstemperatur TuE des thermoplastischen Kunststoffes des Organoblechbandes mit T > TS = TuE + 5°C ist, abgesunken ist.
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Ist das Profil bereits vollständig rollenprofiliert, bevor dieser Verformungstemperaturschwellwert TS erreicht ist, so kann der rollenprofilierte Profilstrang 2 in Profilleisten bereits nach einer einzigen Rollenprofilierungskammer 7 aufgetrennt werden. Sind jedoch weitere Rollenprofilierungswerkzeuge bzw. Rollenprofilierungsstufen 4 erforderlich, so wird der teilweise rollenprofilierte Profilstrang 8 in einer Zwischenaufheizkammer 9 auf die Verformungstemperatur TV in dem oben erwähnten Temperaturbereich erwärmt und den weiteren Rallenprofilierungsstufen 4 in einer weiteren zweiten Rollenprofilierungskammer 40 ausgesetzt.
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Wird nach der zweiten Rollenprofilierungskammer 40 das Endprofil der Profilleiste 50 erreicht, so kann das rollenprofilierte Organoblechband 2 in einer sich anschließenden Ablängvorrichtung 10 auf die Profilleistenlängen I abgelängt und die Profilleiste 50 auf Raumtemperatur T = TR herunter gekühlt werden. Das Umformen des Organoblechbandes 1 zu dem rollenprofilierten Organoblechband 2 kann bis zum vollständigen Abwickeln der Organablechbandspule 5 im Durchlauf fortgesetzt werden.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 100 zur Herstellung von Profilleisten 50 aus einem Organoblechband 1, das von einer Organblechbandrolle 5 abgewickelt und der ersten Aufheizkammer 6 des Gehäuses zugeführt wird.
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Um Energie zu sparen sind bei dieser Vorrichtung 100 die Aufheizkammern 6 und 9 sowie die Profilierungskammern 30 und 40 mit der abschließenden Ablängvorrichtung 10 in einem einzigen Gehäuse untergebracht. In jeder Aufheizkammer 6 bzw. 9 können Thermoelemente angeordnet sein, um die Konstanthaltung einer vorgegebenen Verformungstemperatur der Aufheizkammern zu halten. Ferner sind in den Profilierungskammern 30 und 40 Temperatursensoren vorgesehen, welche die Temperatur des Organoblechbandes beim Rollenprofilieren jeweils überwachen. Ein Ablängen auf die entsprechende Länge l der Profilleisten 50 für ein Fahrzeug kann erst durchgeführt werden, wenn die Temperatur in der Ablängvorrichtung unter den unteren Erweichungstemperaturwert von TuE mit T < TuE abgesunken ist.
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3 zeigt schematisch mit den 3a und 3b ein Rollenprofilieren eines Organoblechbandes 1 mit einer Organoblechbandbreite s zu einer Profilleiste mit einem Profilumfang s. Das Organoblechband ist in der Organoblechbandbreite s auf eine Organoblechbandspule 5 geqwickelt und wird von dieser für ein Rollenprofilieren abgewickelt, wie es 3a zeigt.
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3b zeigt das durch Rollenprofilierung entstandene Profil des rollenprofilierten Organoblechbandes 2, wobei der Profilumfang s gleich der Organoblechbandbreite s ist und das Organoblech eine Dicke d zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweist.
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4 zeigt mit den 4a bis 4f schematische Querschnitte von rollenprofilierten Profilleisten 50a bis 50f.
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Das Profil der Profilleiste 50a in 4a kann bereits mit nur einer Rollenprofilierungsstufe erreicht werden, indem das aufgeheizte Organoblechband zwischen zwei entsprechenden Profilrollen durchgezogen wird. Das Profil in der 4a kann gleichzeitig als ein Halbprofil für einen Hohlprofilkörper eingesetzt werden, indem zwei dieser in 4a gezeigten Profile mit ihren Flanschflächen 11 und 12 stoffschlüssig verbunden werden. Eine derartige stoffschlüssige Verbindung kann durch ein Schweißen oder durch ein Verkleben der Flanschflächen 11 und 12 von zwei Profilleisten 50a erreicht werden.
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Das Profil der Profilleiste 50b in 4b kann mittels drei Rollenprofilierungsstufen verwirklicht werden, wobei in einer ersten Rollenprofilierungsstufe ein U-förmiger Bereich 13 mit einem kurzen Schenkel 14 und einem langen Schenkel 15 geschaffen wird. Anschließend wird der lange Schenkel 15 in einer zweiten Rollenprofilierungsstufe mit einem ersten Abkantwinkel α von 90° abgekantet und in einer dritten Rollenprofilierungsstufe wird dann der zweite Abkantwinkel β ebenfalls um 90° verwirklicht.
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Deutlich mehr Rollenprofilierungsstufen sind für das in 4c gezeigte Profil einer Profilleiste 50c erforderlich, während das in 4d gezeigte Profil einer Profilleiste 50d praktisch mittels einer Rollenprofilierungsstufe verwirklicht werden kann. Auch das Profil der Profilleiste 50e in 4e kann mithilfe von drei Rollenprofilierungsstufen verwirklicht werden.
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Das in 4f gezeigte Profil einer Profilleiste 50f lässt sich wiederum mit nur einer Rollenprofilierungsstufe realisieren, jedoch ist hier ein erheblich breiteres Organoblechband 1 erforderlich, um ein Profil für eine Profilleiste 50f bereitzustellen, die gleichzeitig auch als Halbzeug für die Herstellung von drei Hohlkörperprofilen dienen kann mit drei unterschiedlichen Querschnitten für den Hohlkörper. Auch in diesem Fall können die Flanschflächen 11 und 12 dazu dienen, um eine entsprechend angepasste zweite Profilleiste für eine stoffschlüssige Verbindung der Flanschflächen 11 und 12 zur Herstellung von Hohlprofilleisten oder Hohlprofilträgern mit der in 4f gezeigten Leiste 50f zu erzeugen.
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5 zeigt mit den 5a und 5b ein Herstellen von Hohlprofilkörpern 60 aus rollenprofilierten Profilleisten 50.
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Dazu wird, wie 5a zeigt, eine erste Profilleiste 50f mit drei U-förmigen Ausprägungen hergestellt und eine gleichförmige Profilleiste 50g mit ebenfalls drei U-förmigen Auswölbungen, wobei jede der Profilleisten 50f und 50g Flanschflächen 11 und 12 aufweist, die zur Bildung von in 5b gezeigten Hohlprofilkörpern 60a, 60b und 60c miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Diese stoffschlüssige Verbindung kann eine Schweißverbindung oder eine Klebstoffverbindung sein, wobei zur Bildung von einzelnen Hohlprofilkörpern beispielsweise für Hohlprofilträger im Fahrzeugbau anschließend die drei Hohlprofilkörper 60a, 60b und 60c durch Auftrennen des in 5a gezeigten Hohlkörpers 60 gebildet werden können.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Organoblechband
- 2
- rollenprofiliertes Organoblechband
- 3
- Rollenprofilierungsstufe
- 4
- Rollenprofilierungsstufe
- 5
- Organoblechbandspule
- 6
- Aufheizkammer
- 7
- Profilierungskammer
- 8
- rollenprofilierter Profilstrang
- 9
- Zwischenaufheizkammer
- 10
- Ablängvorrichtung
- 11
- Flanschfläche
- 12
- Flanschfläche
- 13
- U-förmiger Bereich
- 14
- kurzer Schenkel
- 15
- langer Schenkel
- 30
- erste Rollenprofilierungskammer
- 40
- zweite Rollenprofilierungskammer
- 50
- Profilleiste
- 60
- Hohlprofilkörper
- 100
- Vorrichtung
- TuE
- untere Erweichungstemperatur
- TV
- Verformungstemperatur
- TR
- Raumtemperatur
- TS
- Verformungstemperaturschwellwert
- s
- Organoblechbandbreite
- d
- Organoblechbanddicke
- l
- Profilleistenlänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19635357 A1 [0003]
- DE 0093748 T1 [0004]
