DE102020110242A1

DE102020110242A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils

Info

Publication number: DE102020110242A1
Application number: DE102020110242.9A
Authority: DE
Inventors: Werner Berlin; Benjamin Bader; Michael Demes; Lukas Kaempf; Thomas Vietor; Klaus Dröder; Klaus Dilger
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Volkswagen AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (21), bestehend zumindest aus einem Blechteil (1), einem lang- oder endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug (23), das unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht (55) auf dem Blechteil (1) beschichtet ist, und einer Spritzgieß-Struktur (25) aus kurzfaserverstärktem Kunststoff, der auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert ist, wobei das Verfahren einen Thermoformprozess aufweist, in dem das lang- oder endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug (23) in einem formbaren Zustand auf das Blechteil (1) gepresst wird bzw. darin eindrapiert wird, und einen Spritzgießprozess aufweist, in dem die Spritzgieß-Struktur (25) auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert wird. Erfindungsgemäß erfolgen der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug (61) und in einem Spritzgieß-Werkzeug (63).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Prozessanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 14 sowie ein Hybridbauteil gemäß Anspruch 15.
Haftvermittelnde Systeme, die die Anbindung zwischen zwei oder mehreren Fügepartnern ermöglichen, benötigen in der Regel eine Aktivierungstemperatur. Diese muss im Fügeprozess überschritten werden, um eine ausreichende Verbundfestigkeit zu erzielen. Die Fügepartner (z.B. Kunststoffe bzw. Kunststoffschmelze) benötigen für ein sicheres Handling eine ausreichende Formstabilität. Diese wird zumeist durch das Unterschreiten einer Entformtemperatur erreicht. Das Thermomanagement des Prozesses ist somit einer zyklisch wechselnden Temperaturführung unterworfen. Der Einsatz eines Temperiersystems, das den Temperaturwechsel durch Wärmezufuhr bzw. Entzug von Wärme an ein und demselben Werkzeug oder Werkzeugteil vollzieht, hat sich in der praktischen Anwendung aufgrund hoher Zeiten für die Temperaturwechsel als unwirtschaftlich erwiesen. Die Wirtschaftlichkeit eines variothermen Prozesses hängt also maßgeblich von der Dauer zum Wechsel der Prozesstemperaturen ab. Insbesondere für den Einsatz von Haftvermittlern und Haftvermittlungsschichten stellt dies das grundlegende Problem dar.
Zur Herstellung eines Hybridbauteils sind die folgenden Verfahren bekannt:

Hybrid-Plus-Technik: Bei der Hybrid-Plus-Technik wird ein verzinktes Stahlblech im Vorfeld mittels des Coil Coating-Verfahrens mit einem Haftvermittler und alternativ mit einer zusätzlichen Kunststoffkoppelschicht versehen. Das zu fertigende Bauteil wird einem herkömmlichen Spritzgießprozess überführt. Die Energie zur Aktivierung des Haftvermittlers oder der Haftvermittlerschicht wird durch die Wärmeenergie der Kunststoffschmelze bezogen. Die Kunststoffapplikation kühlt im Anschluss im Werkzeug ab und bildet einen festen Verbund zum Stahlblech. Bei der Hybrid-Plus-Technik wird die Kunststoffschmelze als Energieträger zur Aktivierung des Haftvermittlers genutzt. Die in der Kunststoffschmelze gespeicherte Energie ist allerdings nur ausreichend, um Haftvermittler mit niedrigen Aktivierungstemperaturen zu aktiveren. Insbesondere der Durchlauf durch die kathodische Tauchlackierung für Karosseriebauteile ist nicht unbedingt möglich. Des Weiteren kann es bei hochgefüllten Kunststoffen dazu kommen, dass die Haftvermittlerschicht durch die abrasive Wirkung des Füllstoffes mechanisch abgetrennt wird und sich vor der Schmelzfront sammelt. Eine Haftungswirkung ist dann nur noch bedingt gegeben.

Intrinsische Resin-Transfer-Moulding Technologie (intrinsisches RTM): Beim intrinsischen RTM-Prozess werden metallische Bleche mit faserverstärkten Kunststoffen gefügt. Im Vorfeld erfolgt eine Vorbehandlung der Fügefläche des Metalls. Dies kann eine Reinigung mittels Aceton oder eine Strukturierung der Oberfläche z.B. durch Laservorbehandlung sein. Die faserverstärkten Kunststoffe werden als ein Prepreg vorbereitet. Dazu werden trockene Faserlagen aufeinandergestapelt und in den Zwischenlagen mit einem als Adhäsiv wirkenden Kunststoffpulver versehen. Das Blech und der Prepreg werden zusammen in eine beheizte Presse gelegt und gefügt, wobei unter Druck und Wärme das Kunststoffpulver aufschmilzt und die Anbindung an das Blech sowie die Einbettung der Fasern ermöglicht. Das intrinsische RTM bedarf eines hohen Aufwands für die Vorbereitung der zu fügenden Partner. Insbesondere die Drapierung der trockenen Faserhalbzeuge stellt einen wesentlichen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der bei der Verarbeitung von vorimprägnierten Halbzeugen entfällt. Des Weiteren ist der Auftrag von Haftvermittlern und der Aufbau als Stapel als nachteilig zu nennen, da dies einen erhöhten Aufwand für das Handlingsystem darstellt.
Polymer-Injection-Forming (PIF): Das Polymer-Injection-Forming ist eine Abwandlung des Resin-Transfer-Moulding-Prozesses (RTM). Die Erweiterung des RTM-Prozesses zum PIF-Prozess besteht darin, dass die formgebende Vorrichtung zunächst zum Umformen der Blechkomponente des Bauteils genutzt wird. Im Anschluss wird eine meist aushärtende Formmasse (Harz-Härter-System) injiziert. Der Injektionsdruck sorgt für eine weitere Umformung des Bleches. Die Anbindung erfolgt mit Haftvermittlersystemen oder ohne zusätzliche Kopplerschichten. Dieser Prozess ist vorwiegend für die Anbindung duroplastischer Kunststoffe an Metallen nutzbar. Der Nachteil des PIF ist die ausschließliche Anwendbarkeit auf duroplastische Harz-Härter-Systeme oder andere leichtfließende Massen. Eine Übertragbarkeit auf thermoplastische Kunststoffe ist nicht gegeben.
Duroplastisches Prepregpressen: Beim duroplastischen Prepregpressen werden im Vorfeld zur Bauteilherstellung Halbzeuge in Form von geschichteten Aufbauten aus Blech und faserverstärkten Kunststoffen mit nicht-ausreagierten Harz-Härtersystemen hergestellt. Diese werden in ein temperiertes Werkzeug gelegt, welches das Stapelhalbzeug umformt und die nötige Aktivierungsenergie zur Aushärtung bereitstellt. Die Formvielfalt beim duroplastischen Prepregpressen ist stark eingeschränkt, da es sich dabei um einen reinen umformenden Prozess handelt, wohingegen insbesondere wirtschaftliche Prozesse die Kombination aus mehreren Füge-, Ur- und Umformprozessen abbilden.
3D-Hybridtechnologie: Bei der 3D-Hybridtechnologie werden vorgeformte Blechhalbzeuge in die obere Hälfte eines zweigeteilten Umformwerkzeuges gelegt. Auf die untere Form wird eine vorgewärmte Fließpressmasse und ein glasfaserverstärktes Organoblech abgelegt. Durch den Pressvorgang wird das Organoblech in das Blechhalbzeug geformt und die Fließpressmasse bildet versteifend Rippen aus. Die Anhaftung des Organobleches am metallischen Blech wird durch eine zuvor aufgebrachte Haftvermittlerfolie oder Laserstrukturierung erzielt. Der Nachteil der 3D-Hybridtechnologie liegt im Einsatz von Fließpressmassen und dem damit verbundenem erhöhtem Aufwand für das Handling sowie der Fehleranfälligkeit für eine ungenaue Positionierung der geschmolzenen Fließpressmasse begründet.
3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischem Spritzguss: Die 3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischen Spritzguss ersetzt den Ansatz des Fließpressfomens mit einem Spritzgießsschritt zur Ausbildung versteifender Rippen. Dazu wird mittels einer Heißkanalanspritzung die Kavität kaskadisch gefüllt. Der Nachteil der 3D-Hybridtechnologie mit thermoplastischem Spritzguss liegt in der Werkzeugausführung mit nur einer Kavität begründet. Die Werkzeugtemperatur muss einen Kompromiss aus möglichst schneller Kühlung nach dem Einspritzen, einer guten Formfüllung und einer Aktivierung des Haftvermittlersystems darstellen. Dadurch ist die Auswahl zur Verfügung stehender Spritzgussgranulate stark eingeschränkt und muss auf höher-temperaturbeständige Typen fallen. Des Weiteren muss der genutzte Haftvermittler zunächst aufwendig unter Temperatur und Vakuum händisch auf das Blechhalbzeug aufgetragen werden.
Aus der DE 10 2017 010 437 A1 ist eine Vorrichtung zum Warmumformen von thermoplastischen Halbzeugen zu Formteilen bekannt. Aus der WO 2019/215020 A ist ein hybrides Stahl-Kunststoffhalbzeug bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils bereitzustellen, bei dem der Fertigungsaufwand, der Bauteilaufwand sowie die Prozessdauer im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 14 oder des Anspruches 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Hybridbauteil aus, das zumindest aus einem Blechteil, einem lang- oder endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug, das unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht auf dem Blechteil beschichtet ist, und einer Spritzgieß-Struktur aus kurzfaserverstärktem Kunststoff besteht, der auf das Kunststoffhalbzeug appliziert ist.
Die Haftvermittlerschicht kann vorab auf das Blechteil beschichtet sein. Das Blechteil kann bereits vorgeformt sein. Genutzte Bleche müssen jedoch nicht zwangsläufig bereits umgeformt sein, sondern können auch im Prozess integriert umgeformt werden. Die Form der Kunststoffapplikation ist ebenfalls beliebig. Dabei kann es sich um die Aufbringung von flächigen, in Kunststoffmatrix eingebetteten uni- oder mehrdirektional verstärkten Lang- oder Endlosfasersystemen (Gelege, Gestricke, Gewirke, Gewebe, Wirrvliese) handeln. Alternativ bzw. auch in Kombination dazu können Applikationen von Kunststoffstrukturen (Rippen, Funktionselemente) durch Gießverfahren auf Grundlage formloser Stoffe (Granulate, Pulver) oder Flüssigkeiten (Harze, reaktive Vorstufen von Polymeren) erfolgen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hybridbauteils kann einen Thermoformprozess sowie einen Spritzgießprozess aufweisen. Im Thermoformprozess wird ein lang- oder endlosfaserverstärktes Kunststoffhalbzeug in einem formbaren Zustand auf das Blechteil gepresst bzw. darin eindrapiert und zwar unter Bildung des auf dem Blechteil beschichteten Kunststoffhalbzeugs. Im anschließenden Spritzgießprozess wird die Spritzgieß-Struktur auf das Kunststoffhalbzeug appliziert. Mit Drapieren wird allgemeingültig das „Anschmiegen“ des faserverstärkten Kunststoffhalbzeuges an die durch das Blech vorgegebene Kontur beschrieben. Diese Kontur kann dabei dreidimensional aber auch zweidimensional sein.
Die Matrix des Kunststoffhalbzeugs kann beispielhaft ein Thermoplast sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug beschränkt. Vielmehr können anstelle dessen duroplastische Prepregs verwendet werden. Dabei sind die Fasern in einem Gemisch aus einem Harz und einem Härter eingebettet, welches noch nicht ausreagiert ist und erst z.B. durch Wärmeeinbringung zur Reaktion und damit zur Bildung des duroplastischen Kunststoffes gebracht wird. Während des Handlings sind diese Prepregs nicht zwangsläufig heiß.
Die Spritzgieß-Struktur kann eine thermoplastische Schmelze (Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere) oder ein Harz-Härter-Gemisch (zur Erzeugung von Elastomere oder Duroplasten nach Vernetzungsreaktion) sein.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass bei Durchführung des Thermoformprozesses und des Spritzgießprozesses in einem gemeinsamen Werkzeug bzw. Werkzeugstufe - d.h. das Blechteil verbleibt sowohl beim Thermoformen als auch beim Spritzgießen unverändert in derselben Werkzeugkavität - mit zeitaufwendigen Aufheiz- und Abkühlvorgängen verbunden ist. Solche Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind erforderlich, um jeweils die Thermoform-Prozesstemperatur und die Spritzgießprozesstemperatur einzustellen.
Vor diesem Hintergrund werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 in Abkehr zum Stand der Technik der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess nicht mehr in einem gemeinsamen Werkzeug durchgeführt. Vielmehr erfolgen der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug (bzw. Thermoform-Werkzeugstufe) sowie einem davon separaten Spritzgieß-Werkzeug (bzw. Spritzgieß- Werkzeugstufe).
Der Ansatz der Erfindung besteht allgemein darin, dass - im Gegensatz zum Stand der Technik - ein Bauteil zwei oder mehr einzelne Werkzeuge oder Werkzeugteile durchläuft. Die Werkzeuge oder Werkzeugteile sind so temperiert, dass die benötigte Prozesstemperatur für den jeweils angedachten Verarbeitungsschritt angepasst ist. Die Prozesstemperaturen pro Werkzeug sind bevorzugt nicht wechselnd, sondern fest eingestellt, d. h. isotherm. Die Zeit für einen Temperaturwechsel hängt damit nicht mehr von der Dauer des Wärmetausches, sondern lediglich von der Transferdauer vom vorherigen ins nächstfolgende Werkzeug bzw. Werkzeugteil ab. Eine deutliche Reduzierung der Zykluszeit und damit eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist die Folge. Der Prozess kann zudem so ausgeführt werden, dass ein Bauteil zunächst alle Werkzeugstufen durchläuft. Alternativ kann jede Werkzeugstufe zu jeder Zeit des Prozesses genutzt werden.
Die Erfindung beschreibt einen Prozess zur Herstellung von Hybridbauteilen in einem mehrfach mindestens jedoch zweifach geteilten Werkzeug, das es ermöglicht, prozessrelevante Parameter wie Temperatur oder Druck gezielt auf den jeweilig abzubildenden Prozessschritt anzupassen. Hier ist es zum Beispiel möglich, einen Thermoformprozess eines endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeuges mit einen Spritzgussprozess zu kombinieren, wobei verschiedene Temperaturprofile der Einzelprozessschritte erforderlich sind. Beim Thermoformen eines endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeuges kann eine hohe Temperatur (100 - 300 °C) des Blechhalbzeuges erforderlich sein, um eine belastbare stoffschlüssige Anbindung zwischen Blechhalbzeug und eingeformten endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug zu garantieren. In einem möglichen Folgeprozessschritt kann eine Applikation von Rippen auf das eingeformte Halbzeug erfolgen. Hierbei ist eine niedrigere Temperatur (60 - 140 °C) erwünscht, um eine wirtschaftliche und prozessstabile Abkühlung der Kunststoffrippen zu ermöglichen. Der Abkühlvorgang soll einerseits möglichst schnell erfolgen, aber nicht zu schnell, um Bauteilfehler wie Einfallstellen, Vakuolen oder Lunker zu vermeiden (um ausreichend lange Nachdruck auf das Bauteil geben zu können). Hierzu werden zwei Werkzeughälften mit unterschiedlicher Temperatur aufgebaut. Das Halbzeug wird nach dem ersten Prozessschritt bei einer hohen Temperatur entnommen und in der zweiten Werkzeugstufe abgekühlt. Insbesondere kann dadurch eine anforderungsgerechte Bauteilherstellung erfolgen und die Qualität der Bauteile sowie deren mechanischer Eigenschaften deutlich erhöht werden. Außerdem ermöglicht der Prozess eine wirtschaftliche Fertigung von Hybridbauteilen in kurzen Taktzeiten sowie die Verarbeitung hochschmelzender Haftvermittler oder Haftvermittlerschichten zusammen mit Standardthermoplasten für den Spritzguss. Aufgrund der Möglichkeit zur Realisierung schneller Temperaturwechsel ist der Prozess für variotherme Anwendungen, die sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen benötigen, wirtschaftlich sinnvoller als bekannte Prozesse, bei denen der Temperaturwechsel von der Leistungsfähigkeit des Wärmetausches abhängt.
Durch das Zusammenfassen gleichartiger Verfahrensschritte aus verschiedenen Prozessen in einem Werkzeug bzw. Werkzeugteil können Synergieeffekte genutzt und dadurch Prozessschritte eingespart werden, was wiederum die Zykluszeit reduziert. Des Weiteren können Prozessparameter durch die Trennung der Werkzeugteile in Hinblick auf den durch das Werkzeugteil abzubildenden Prozessschritt optimal eingestellt werden. Dadurch kann eine zeit- und ressourceneffiziente Fertigung realisiert werden. Aufgrund der Möglichkeit zur gleichzeitig simultanen Produktion mit allen Werkzeugteilen wird die Anzahl gefertigter Bauteile je Zeiteinheit deutlich erhöht im Vergleich zu einer durchlaufenden Fertigung.
Der Prozess kann für die Fertigung sämtlicher Bauteile in Multi-Material-Bauweise eingesetzt werden. Insbesondere ist die Erfindung für hochvolumige Produktionen mit engen Kostenrahmen je Bauteil interessant. Durch die Flexibilität kann der Prozess sowohl für isotherme als auch variotherme Anwendungen, für Ein-Komponenten- oder Mehrkomponentenspritzguss und für reine Umformprozesse ausschließlich mit Metallen oder in Kombination mit anderen umform- oder urformbaren Materialien zum Einsatz kommen.
Die wesentliche Neuerung des Prozesses ist der modulare Aufbau der Prozessstruktur, bei der möglichst wenige Abhängigkeiten der Prozessschritte untereinander vorliegen. Dadurch kann der Einzelschritt optimal auf die produktionstechnischen Anforderungen angepasst werden.
Im Stand der Technik wird meist das Ziel verfolgt, möglichst viele Prozessschritte in eine Fertigungsoperation zu vereinen und dadurch die Fertigungszeiten zu verkürzen. Die dadurch erzielte simultane, zykluszeitreduzierende Arbeitsweise wird in der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, dass bewusst die Aufteilung der Prozessschritte in mehrere Bearbeitungsstationen erfolgt, die ebenfalls alle gleichzeitig ablaufen. Dadurch bleibt die Zykluszeit mindestens gleich und kann durch die verringerten Abhängigkeiten durch optimierte Parametereinstellungen auch reduziert werden.
Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen beschrieben: So kann in einer technischen Umsetzung das Thermoform-Werkzeug eine Matrize und einen Stempel aufweisen. Dem Thermoform-Werkzeug kann bevorzugt eine Temperieranlage zugeordnet sein. Zur Vorbereitung des Thermoformprozesses kann zunächst das Blechteil in das Thermoform-Werkzeug eingelegt werden. Anschließend kann der Stempel in einem Pressvorgang das flächige Kunststoffhalbzeug in einem formbaren Zustand auf das Blechteil pressen und dabei in die Blechkontur drapieren. Das Kunststoffhalbzeug kann gegebenenfalls separat vom Thermoform-Werkzeug in einer Heizeinrichtung vorgewärmt werden, bis dessen formbarer Zustand erreicht ist.
Eine einwandfreie Verbundfestigkeit zwischen dem Blechteil und dem Kunststoffhalbzeug ist von größter Bedeutung für das Hybridbauteil. Bevorzugt kann die hierzu erforderliche Haftvermittlerschicht thermisch aktivierbar sein, sobald eine Aktivierungstemperatur überschritten ist. Im Hinblick auf eine einfache Prozessführung kann das Thermoform-Werkzeug während des Thermoformprozesses bis auf eine Prozesstemperatur beheizt sein, die größer als die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht ist. Auf diese Weise wird eine feste Anbindung des Kunststoffhalbzeugs am Blechteil gewährleistet.
Das flächige Kunststoffhalbzeug wird ggf. in einer vom Thermoform-Werkzeug separaten Heizeinrichtung bis auf eine Verarbeitungstemperatur bzw. Schmelztemperatur vorgewärmt, in der die Kunststoffmatrix des Halbzeuges verarbeitbar bzw. schmelzeflüssig ist. Im Hinblick auf eine prozesssichere Haftung des Kunststoffhalbzeuges am Blechteil hat sich insbesondere eine Haftvermittlerschicht als günstig erweisen, die bei hoher Temperatur aktivierbar ist. Beispielhaft kann die die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht bei 220°C liegen, während die Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs bei 260°C liegen kann.
Die Notwendigkeit der im Vergleich zum Stand der Technik relativ hohen Werkzeugtemperaturen (bis 260°C) liegt darin begründet, dass die Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers bzw. der Haftvermittlerschicht weitaus höher liegt, als die Temperaturen der bisher auf dem Markt erhältlichen Haftvermittler. Dadurch qualifiziert sich das Bauteil aber auch für den Einsatz unter erhöhten Temperaturen (z.B. beim Überbrand der kathodischen Tauchlackierung im Karosseriebau; 190°C), weil sich der Verbund erst wieder nach Überschreiten der Aktivierungstemperatur lösen würde.
Mit Hilfe des temperierten Thermoform-Werkzeug ist erfindungsgemäß eine Temperaturführung ermöglicht, in der einerseits die Haftvermittlerschicht ausreichend lange über ihrer Aktivierungstemperatur gehalten werden kann. Andererseits kann auch durch gezielte Unterschreitung der Entformtemperatur eine Entformbarkeit gewährleistet werden. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Hälften der Werkzeugstufe bzw. des Einzelwerkzeuges für den Thermoformschritt unterschiedlich temperiert sind (eine Hälfte weit über der Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers (bzw. der Haftvermittlerschicht), die andere Hälfte unterhalb der Entformtemperatur). Dadurch können beim Schließen des Werkezuges thermische Ausgleichsvorgänge stattfinden, die es erlauben, dass die geforderten Temperaturen zur Aktivierung des Haftvermittlers auf dem Blech lange genug überschritten werden, aber dennoch eine Entformtemperatur nach wirtschaftlich sinnvoller Zeit erreicht wird. Durch eine isotherme Prozessführung der Werkzeughälften kann die Stabilität des Thermoformschrittes deutlich erhöht werden, weil die Rückführung der Ausgleichsvorgänge, also die Bildung einer homogenen Temperaturverteilung über die jeweilige Werkzeughälfte, schneller erfolgen als bei variothermen Ansätzen und zudem ein sicherer, bekannter Ausgangszustand nach jeder Nutzung eingestellt werden kann.
Nach erfolgtem Thermoformprozess wird der Bauteilverbund aus Blechteil und Kunststoffhalbzeug bis auf eine Entformtemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur bzw. der Verarbeitungstemperatur des Kunststoffes und/oder der Aktivierungstemperatur des Haftvermittlers liegt, abgekühlt. Mit Erreichen der Entformtemperatur kann der Bauteilverbund mittels einer Transfereinheit in die Werkzeugkavität des Spritzgieß-Werkzeugs bzw. der Spritzgieß-Werkzeugstufe eingelegt werden, um den Spritzgießprozess zu starten. Im Spritzgießprozess wird je nach Ansatz eine thermoplastische Schmelze (Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere) oder ein Harz-Härter-Gemisch (zur Erzeugung von Elastomere oder Duroplasten nach Vernetzungsreaktion) in einer Injektionseinheit bis Erreichen eines verarbeitungsfähigen Zustandes erwärmt und anschließend unter Druck in die Werkzeugkavität des Spritzgieß-Werkzeugs injiziert. Dadurch bildet sich eine Spritzgieß-Struktur auf dem eindrapierten, lang- bzw. endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug.
Das Spritzgießwerkzeug bzw. die Spritzgieß-Werkzeugstufe wird ebenfalls isotherm mit den für den Spritzgießprozess üblichen Temperiertechnologien und je nach Art des verwendeten Materials üblichen Temperaturen beheizt. Das Spritzgieß-Temperaturniveau ist wesentlich geringer als das Thermoform-Temperaturniveau.
In einer konkreten technischen Umsetzung kann das Hybridbauteil zum Beispiel als eine Karosseriesäule in einem Karosseriebau in eine Fahrzeugkarosserie verbaut werden. Nach dem Karosseriebau folgt ein KTL-Prozess, bei dem die Fahrzeugkarosserie in einem Tauchbad mit KTL-Lack benetzt wird und anschließend die mit KTL-Lack benetzte Fahrzeugkarosserie in einem KTL-Ofen bis auf eine KTL-Temperatur aufgeheizt wird, in der der KTL-Lack aushärtet. Im Hinblick auf eine stabile Verbindungsfestigkeit des Kunststoffhalbzeugs am Blechteil sowie der Spritzgieß-Struktur am Kunststoffhalbzeug ist es von Relevanz, dass die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht sowie die Schmelztemperaturen des Kunststoffhalbzeugs und der Spritzgießstruktur größer sind als die KTL-Temperatur.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Hybridbauteil zumindest einen Metall-Einleger aufweisen, der bevorzugt wie folgt im Hybridbauteil integrierbar ist: So kann in einen ersten Thermoform-Teilschritt das lang- bzw. endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug auf das Blechteil gepresst werden. In einem zweiten Thermoform-Teilschritt kann der Metall-Einleger in die noch plastifizierte Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeuges eingepresst werden. Die beiden Teilschritte können mit einem gemeinsamen Heißpress-Hub des Thermoform-Stempels erfolgen. Eine verbundfeste Integration des Metall-Einlegers im Hybridbauteil ist von besonderer Bedeutung. Von daher kann der Metall-Einleger zusätzlich randseitig mit der Spritzgieß-Struktur umspritzt sein. Dadurch ergibt sich eine umlaufende Einfassung, die zusammen mit dem Kunststoffhalbzeug den Rand des Metall-Einlegers umgreift.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Teilansicht eine A-Säule in einer angedeuteten Einbaulage in einer Fahrzeugkarosserie;
2 eine Schnittansicht entlang einer Schnittebene A aus der 1;
3 die Anlagenskizze einer Prozessanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer eine Prozessabfolge zur Herstellung eines Hybridbauteils veranschaulicht ist.

In der 1 ist in schematischer Darstellung eine in einer Fahrzeugkarosserie verbaute A-Säule angedeutet. Die A-Säule ist als ein Hohlprofilträger mit einem äußeren Blechteil 1 und einem inneren Blechteil 3 ausgeführt. An einem oberen Säulenknoten 5 der A-Säule läuft ein oberer Karosserielängsträger 7, ein die Windschutzscheibe des Fahrzeugs begrenzendes Rahmenseitenteil 9 sowie eine Querbaugruppe 11 zusammen. Am unteren Säulenknoten 13 der A-Säule schließt sich in der Fahrzeuglängsrichtung x nach hinten ein seitlicher Schweller 15 an. Zudem weist das äußere Blechteil 1 der A-Säule eine obere Anschraubbasis 17 sowie eine untere Anschraubbasis 19 zur Verschraubung von nicht gezeigten oberen und unteren Türscharnieren der Fronttür des Fahrzeugs auf.
Gemäß der 2 ist das fahrzeugäußere Blechteil 1 Bestandteil eines Hybridbauteils 21. Das Hybridbauteil 21 weist neben dem äußeren Blechteil 1 ein langfaserverstärktes thermoplastisches Kunststoffhalbzeug 23, eine Spritzgieß-Struktur 25 aus kurzfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoffmaterial sowie einen Metalleinleger 39 auf. In der 2 ist der Metall-Einleger 39 beispielhaft eine obere Scharnierverstärkung für die obere Anschraubbasis 17, um eine stabile Verschraubung des oberen Türscharniers der Fahrzeugtür zu erzielen.
Anhand der 2 wird der Materialaufbau des Hybridbauteils 21 beschrieben: Demzufolge ist das Kunststoffhalbzeug 23 in einem später beschriebenen Thermoformprozess unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht 55 (4) in die Innenseite des äußeren Blechteils 1 eingepresst. Das äußere Blechteil 1 ist im Querschnitt U-profilförmig, und zwar mit einem, in der Fahrzeugquerrichtung x äußeren Profilgrund 27 sowie mit davon nach fahrzeuginnen hochgezogenen, vorderen und hinteren Profilwänden 29, 31. Von den Profilwänden 29, 31 sind jeweils Randflansche 33 abgekantet. Gemäß der 2 überdeckt das Kunststoffhalbzeug 23 die Innenseite des äußeren Blechteils 1 nahezu vollständig.
Der in der 2 gezeigte Metall-Einleger 39 ist im später beschriebenen Thermoformprozess in Formschlussverbindung mit dem Kunststoffhalbzeug 23 gebracht. In der 3 ist der Metall-Einleger 39 beispielhaft randseitig mit dem kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial der Rippen-Struktur 25 umspritzt. Die Rippen-Struktur 25 bildet daher eine umlaufende Einfassung 60, die zusammen mit dem Kunststoffhalbzeug 23 den Rand des Metall-Einlegers 39 umgreift. Der Metall-Einleger 39 ist nicht unmittelbar in Anlage mit dem äußeren Blechteil 1, sondern vielmehr unter Zwischenlage des Kunststoffhalbzeugs 23 davon beabstandet.
In der 2 ist das äußere Blechteil 1 in Flanschverbindung mit dem inneren Blechteil 3 gezeigt, bei dem die Randflansche der Blechteile 1, 3 an einer Fügeebene F miteinander in Schweißverbindung sind. Zwischen einer Oberkante 49 der Rippen-Struktur 25 und dem inneren Blechteil 3 befindet sich ein freier Zwischenraum, der in der 2 mittels eines Dichtelements 51 geschlossen ist.
In der 3 ist die Anlagenskizze einer Prozessanordnung zur Herstellung des Hybridbauteils 21 beschrieben. Demzufolge erfolgen der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug 61 und in einem Spritzgieß-Werkzeug 63 erfolgen. Das Thermoform-Werkzeug 61 weist als Werkzeughälften eine Matrize 65 und einen Stempel 67 auf, die mittels einer Temperieranlage 69 beheizbar sind. Im Thermoform-Werkzeug 61 wird ein später beschriebener Bauteilverbund 71 erzeugt, der sich aus dem Blechteil 1, dem Kunststoffhalbzeug 23 und den Metall-Einlegern zusammensetzt. Dieser wird mittels einer Transferiereinheit 73 in eine Werkzeugkavität 75 transferiert, die von Werkzeughälften 77, 79 des Spritzgieß-Werkzeugs 63 begrenzt ist, um den Spritzgießprozess durchzuführen. Das Spritzgießwerkzeug bzw. die Spritzgieß-Werkzeugstufe 63 ist ebenfalls isotherm mit einer für den Spritzgießprozess üblichen Temperieranlage 70 und je nach Art des verwendeten Materials üblichen Temperaturen beheizbar. Das Spritzgieß-Temperaturniveau ist wesentlich geringer bemessen als das Thermoform-Temperaturniveau.
Nachfolgend sind anhand der 4 bis 7 die Prozessschritte zur Herstellung des Hybridbauteils 21 beschrieben. Die in den 4 bis 7 angedeuteten Werkzeug-Geometrien sind als rein beispielhaft zu verstehen. Zur Vorbereitung des Thermoformprozesses wird zunächst in der 4 das vorgeformte Blechteil 1 in die Matrize 65 eingelegt. Das vorgeformte Blechteil 1 ist in der 4 mit einer angedeuteten Haftvermittlerschicht 55 beschichtet (erfolgt in einem nicht gezeigten Vorbearbeitungsprozess). Zudem wird das lang- oder endlosfaserverstärkte thermoplastisches Kunststoffhalbzeug 23 ggf. in einer nicht gezeigten Heizeinrichtung bis in einen plastifizierten Heißzustand erwärmt, in dem die Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs 23 schmelzeflüssig ist.
Zusätzlich wird vor dem Start des Thermoformprozesses das bereits vorgeformte Blechteil 1 mittels der Matrize 65 erwärmt, um die darauf applizierte Haftvermittlerschicht 55 bis über deren Aktivierungstemperatur zu erwärmen. Anschließend presst der Stempel 67 mit einer Fügekraft in einer Fügerichtung I (4) den Metall-Einleger 39 unter Zwischenordnung des Kunststoffhalbzeugs 23 mit einem Heißpress-Hub (in einem One-Shot-Prozess) in das Blechteil 1, wodurch sich ein Bauteilverbund 71 (5) ergibt, bei dem das Blechteil 1 mit dem Kunststoffhalbzeug 23 beschichtet ist und der Metall-Einleger 39 in Formschlußverbindung mit dem Kunststoffhalbzeug 23 ist.
Mit Hilfe der Temperieranlage 69 ist in der Matrize 65 und in dem Stempel 67 des Thermoform-Werkzeug 61 jeweils eine Temperaturführung ermöglicht, in der einerseits die Haftvermittlerschicht 55 ausreichend lange über ihrer Aktivierungstemperatur gehalten werden kann. Andererseits kann auch durch gezielte Unterschreitung der Entformtemperatur eine Entformbarkeit gewährleistet werden. Beispielhaft kann im Thermoformprozess die Temperatur der Matrize 65 bei 260°C bis 280°C liegen. Demgegenüber kann die Temperatur des Stempels 67 bei 140°C bis 160°C liegen.
Der im Thermoformprozess erzeugte Bauteilverbund 71 (5) wird im Thermoform-Werkzeug 61 bis auf eine Entformtemperatur abgekühlt, die unterhalb der Thermoplast-Schmelztemperatur liegt. Bei Erreichen der Entformtemperatur wird der Bauteilverbund 71 mittels der Transfereinheit 73 in die Werkzeugkavität 75 (3) des Spritzgieß-Werkzeugs 63 eingelegt, um den Spritzgießprozess vorzubereiten. Im Spritzgießprozess (6) wird (bei geschlossener Werkzeugkavität 75) eine schmelzflüssige, thermoplastische sowie kurzfaserverstärkte Spritzgießmasse in die Werkzeugkavität 75 unter Druck und Wärme injiziert. Dadurch bildet sich die auf das Kunststoffhalbzeug 23 aufgespritzte Rippen-Struktur 25 (7). In der Rippen-Struktur 25 ist die bereits erwähnte umlaufende Einfassung 60 integriert, die sowohl mit dem Metall-Einleger 39 als auch mit dem Kunststoffhalbzeug 23 in Stoffschlussverbindung ist.
Im Thermoformprozess kann die Prozesstemperatur erfindungsgemäß isotherm auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das in einer Hälfte des Werkzeuges / der Werkzeugstufe wesentlich größer ist als die Schmelztemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs 23 ist und in der anderen Hälfte unterhalb der Entformtemperatur liegt. Dadurch ist eine Aktivierung der bei hoher Temperatur aktivierbaren Haftvermittlerschicht 55 gewährleistet. Demgegenüber kann die Spritzgieß-Prozesstemperatur im Spritzgieß-Werkzeug 63 auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das im Wesentlichen der für die Verarbeitung des eingesetzten Kunststoffes empfohlenen Werkzeugtemperatur entspricht, das heißt wesentlich geringer ist als das Thermoform-Temperaturniveau. Durch Bereitstellung der beiden voneinander separaten Thermoform- und Spritzgieß-Werkzeuge 61, 63 können zeitaufwendige Temperiervorgänge zum Aufheizen und Abkühlen vermieden werden. Vielmehr werden die beiden Werkzeuge 61, 63 isotherm auf dem jeweiligen Temperaturniveau gehalten, und dass Aufheiz- und Abkühlvorgänge erforderlich sind. Dadurch reduziert sich die Prozessdauer bei der Herstellung des Hybridbauteils 21.
Bezugszeichenliste

1: äußeres Blechteil
3: inneres Blechteil
5: oberer Säulenknoten
7: oberer Karosserielängsträger
9: Rahmenseitenteil
11: Querbaugruppe
13: unterer Säulenknoten
15: Schweller
17: obere Anschraubbasis
19: untere Anschraubbasis
21: Hybridbauteil
23: Kunststoffhalbzeug
25: Spritzgieß-Struktur
27: äußerer Profilgrund
29, 31: Profilwände
33: Randflansche
39: Metall-Einleger
49: Oberkante
51: Dichtelement
55: Haftvermittlerschicht
60: umlaufende Einfassung
61: Thermoform-Werkzeug
63: Spritzgieß-Werkzeug
65: Matrize
67: Stempel
69: Temperieranlage
70: Temperieranlage
71: Bauteilverbund
73: Transfereinheit
75: Werkzeugkavität
77, 79: Werkzeughälften des Spritzgieß-Werkzeugs
I: Fügerichtung
F: Fügeebene
P: Prozessrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017010437 A1 [0009]
WO 2019/215020 A [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (21), bestehend zumindest aus einem Blechteil (1), einem lang- oder endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug (23), das unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht (55) auf dem Blechteil (1) beschichtet ist, und einer Spritzgieß-Struktur (25) aus kurzfaserverstärktem Kunststoff, der auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert ist, wobei das Verfahren einen Thermoformprozess aufweist, in dem das lang- oder endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug (23) in einem formbaren Zustand auf das Blechteil (1) gepresst wird bzw. darin eindrapiert wird, und einen Spritzgießprozess aufweist, in dem die Spritzgieß-Struktur (25) auf das Kunststoffhalbzeug (23) appliziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoformprozess und der Spritzgießprozess voneinander funktionell unabhängig in einem Thermoform-Werkzeug (61) und in einem Spritzgieß-Werkzeug (63) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (1) vor Durchführung des Thermoformprozesses vorab mit der Haftvermittlerschicht (55) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffhalbzeug (23) aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, oder dass das Kunststoffhalbzeug (23) aus thermoplastischen Elastomeren besteht, oder dass für das Kunststoffhalbzeug (23) duroplastische Prepregs verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Spritzgießprozess je nach Ansatz eine thermoplastische Schmelze (d.h. Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere) oder ein Harz-Härter-Gemisch (zur Erzeugung von Elastomere oder Duroplasten nach Vernetzungsreaktion) verwendet wird, und dass insbesondere die thermoplastische Schmelze oder das Harz-Härter-Gemisch in einer Injektionseinheit bis Erreichen eines verarbeitungsfähigen Zustandes erwärmt und anschließend unter Druck in die Werkzeugkavität des Spritzgieß-Werkzeugs injiziert wird, wodurch sich die Spritzgieß-Struktur (25) auf dem Kunststoffhalbzeug (23) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoform-Werkzeug (61) Werkzeug-Hälften, etwa eine Matrize (65) und einen Stempel (67), aufweist, und/oder dass dem Thermoform-Werkzeug (61) eine Temperieranlage (69) zugeordnet ist, mittels der das Blechteil (1) beheizbar ist, und/oder dass zur Vorbereitung des Thermoformprozesses das Blechteil (1) in das Thermoform-Werkzeug (61) eingelegt wird und anschließend der Stempel (67) in einem Pressvorgang das Kunststoffhalbzeug (23) im formbaren Zustand auf das Blechteil (1) presst bzw. darin eindrapiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften (65, 67) des Thermoformwerkzeugs (61) für den Thermoformschritt unterschiedlich temperiert sind, und dass insbesondere eine Hälfte weit über der Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht (55) liegt, während die andere Hälfte unterhalb der Entformtemperatur liegt, so dass beim Schließen des Werkzeuges (61) thermische Ausgleichsvorgänge stattfinden, die es einerseits erlauben, dass die geforderten Temperaturen zur Aktivierung der Haftvermittlerschicht (55) auf dem Blech lange genug überschritten werden, aber andererseits eine Entformtemperatur nach wirtschaftlich sinnvoller Zeit erreicht wird, und/oder dass durch eine isotherme Prozessführung der Werkzeughälften (65, 67) die Stabilität des Thermoformschrittes erhöht werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (55) thermisch aktivierbar ist, und zwar bei Überschreiten einer Aktivierungstemperatur, und dass während des Thermoformprozesses die Prozesstemperatur bevorzugt isotherm verläuft, und/oder dass die Thermoform-Prozesstemperatur größer ist als die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht (55).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Thermoformprozesses das Kunststoffhalbzeug (23) bis auf eine Schmelztemperatur vorgewärmt ist, in der die Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs (23) schmelzeflüssig ist, und dass insbesondere die Haftvermittlerschicht (55) eine hohe Aktivierungstemperatur aufweist, die größer oder gleich der Bearbeitungstemperatur des Kunststoffhalbzeugs (23) ist, und/oder dass insbesondere die Thermoform-Prozesstemperatur auf einem bevorzugt isothermen Temperaturniveau liegt, das wesentlich größer als die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs (23) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Thermoformprozess der Bauteilverbund (71) aus Blechteil (1) und Kunststoffhalbzeug (23) bis auf eine Entformtemperatur abgekühlt wird, und dass bei Erreichen der Entformtemperatur der Bauteilverbund (71) mittels einer Transfereinheit (73) in die Werkzeugkavität (75) des Spritzgieß-Werkzeugs (63) eingelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießwerkzeug bzw. die Spritzgieß-Werkzeugstufe (63) ebenfalls bevorzugt isotherm mit den für den Spritzgießprozess üblichen Temperiertechnologien (70) und je nach Art des verwendeten Materials üblichen Temperaturen beheizt wird, und/oder dass das Spritzgieß-Temperaturniveau wesentlich geringer ist als das Thermoform-Temperaturniveau.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridbauteil (21) im Karosseriebau in einer Fahrzeugkarosserie verbaut wird, und dass nach dem Karosseriebau ein KTL-Prozess folgt, bei dem die Fahrzeugkarosserie in einem Tauchbad mit KTL-Lack benetzt wird und anschließend die mit KTL-Lack benetzte Fahrzeugkarosserie in einem KTL-Ofen bis auf eine KTL-Temperatur aufgeheizt wird, in der der KTL-Lack aushärtet, und dass insbesondere die Aktivierungstemperatur der Haftvermittlerschicht (55) und die Verarbeitungstemperatur des Kunststoffhalbzeugs (23) sowie der Spritzgieß-Struktur (25) größer als die KTL-Temperatur ist, und/oder dass die Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs (23) und der Spritzgieß-Struktur (25) im Wesentlichen materialgleich mit in etwa gleichen Verarbeitungstemperaturen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridbauteil (21) zumindest einen Metall-Einleger (39) aufweist, und dass insbesondere in einem ersten Thermoform-Teilschritt das Kunststoffhalbzeug (23) auf das Blechteil (1) gepresst wird sowie in einem zweiten Thermoform-Teilschritt der Metall-Einleger (39) auf die noch formbare Kunststoffmatrix des Kunststoffhalbzeugs (23) gepresst wird, und dass insbesondere die beiden Teilschritte in einem gemeinsamen Presshub des Thermoform-Stempels (67) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Einleger (39) randseitig mit der Spritzgieß-Struktur (25) umspritzt ist, und zwar unter Bildung einer umlaufenden Einfassung (60), die zusammen mit dem Kunststoffhalbzeug (23) den Rand des Metall-Einlegers (39) umgreift.
Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Hybridbauteil, das mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.