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Das
technische Gebiet der Erfindung betrifft die Herstellung von Kunststoffformteilen
aus Verbundwerkstoffen in Leichtbauweise mittels einer Kombination
aus einem Pressverfahren und einem Tiefziehverfahren mit einer Beschichtung
einer Oberfläche
des Verbundbauteils.
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Ein
Kunststoffformteil ist als Leichtbauteil aus thermoplastischem Verbundmaterial
in einem einzigen Arbeitsschritt herzustellen, wobei die Oberfläche des
Verbundmaterials eine Dekorschicht enthalten kann.
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Wenn
das thermoplastische Verbundmaterial ein glasfaserverstärktes Material,
wie ein fließfähiges Polypropylenmaterial
mit einer Glasfasermatte (GMT) ist, wird dieses zusammen mit dem
Verbundwerkstoff, welcher auch als Sandwichmaterial bezeichnet wird,
wie in der Offenlegungsschrift
DE 10112635 A1 beschrieben, in eine Form
eingelegt und mittels eines Stempels werden die beiden Schichten
bei einem Druck von 10 bis 20 bar in die gewünschte dreidimensionale Form
gebracht, wobei die Fliessfähigkeit
des GMT-Materials allerdings zur Durchführung eines Tiefziehprozesses
erst bei Drücken
von 100 bis 200 bar gewährleistet
ist.
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Bei
Ausübung
des geringeren Drucks ist daher nicht davon auszugehen, dass das
GMT das Stadium der Fließfähigkeit
erreicht, somit ist der Verbund der beiden Schichten nicht gewährleistet.
Wenn man in der Tiefziehform einen vor- oder nachgeschalteten Pressvorgang
ablaufen lässt,
um das GMT Material fließfähig zu machen,
bedeutet das die Erhöhung
des Druckes auf 100 bis 200 bar. Bei diesem Druck kann aber nicht
gewährleistet
werden, dass die Struktur des Sandwichmaterials erhalten bleibt,
vor allem, wenn das Sandwichmaterial Hohlräume enthält, wie beispielsweise eine
Wabenstruktur.
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Zudem
entstehen bei diesem Verfahren Schnittabfälle, welche in der
7 der
DE 10112635 A1 angedeutet
sind. Da diese Schnittabfälle
ein Kostenfaktor für
das Verfahren sind und das Recycling der Schnittabfälle aus
Kunststoffverbundwerkstoff nicht im Rahmen desselben Verfahrens
erfolgen kann, wird in der Erfindung vorgeschlagen, diesen Abfall
und die damit verbundenen Kosten zu vermeiden. Durch die angesprochenen
hohen Drücke,
welche großflächig auf
das Sandwichmaterial wirken, ist auch nicht mehr gewährleistet,
dass die Oberfläche mit
der Dekorschicht unversehrt bleibt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannte Lösung würde bei Verwendung eines einfachen
Stempels zur Verpressung des Sandwichmaterials und somit zu einer
Verringerung des Querschnitts des Sandwichmaterials führen. Wenn
die Rippen der Wabenstruktur, aus welcher das Sandwichmaterial in seinem
Kernbereich aufgebaut ist, allerdings zerstört werden, ist der Vorteil
der Verwendung eines Sandwichmaterials zumindest teilweise zunichte
gemacht. Die Wabenstruktur dient unter anderem der Erhöhung der
Steifigkeit des Sandwichmaterials. Das Sandwichmaterial kann durch
Verwendung eines speziellen Stempels in seiner Form gehalten werden. In
der
DE 10112635 A1 wird
dazu ein hydraulischer Zylinder verwendet, welcher die Einhaltung
eines bestimmten Toleranzmaßes
zwischen Stempel und Negativform garantiert. Mit dieser aufwändigen Werkzeugkonstruktion,
nämlich
der Herstellung eines Etagenstempels, verteuert sich nicht nur das
Werkzeug, sondern es kommt trotzdem zur Zerstörung der Wabenstruktur, vor
allem im Bereich der Kanten des Formteils. Somit wird der Vorteil
des Sandwichmaterials der erhöhten
Steifigkeit teilweise zunichte gemacht. Zudem erhält man unter
Anwendung dieses Verfahrens aus dem Stand der Technik keine Oberflächen mit
dekorativem Aussehen. Die Oberfläche muss
in mehreren nachfolgenden Arbeitsschritten nachbehandelt werden,
um eine oder mehrere Dekorschichten aufzutragen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Oberfläche so geringen Drücken wie
möglich
auszusetzen, um eine möglichst
homogene Oberfläche
zu erhalten. Diese homogene Oberfläche kann dann bereits in der
Form selbst mit einer Dekorschicht oder zumindest einer Grundierungsschicht
versehen werden, sollte eine besondere Endgestaltung der Oberfläche des
Formteils gewünscht
sein, die über
die Oberflächenbeschaffenheit
des Formteils, welches nach dem erfindungsgemäßen Fließpressverfahren hergestellt
wurde, nicht den Ansprüchen,
die sich aus dem Verwendungszweck desselben ergeben, genügen. Dazu
werden nur die Bereiche des Verbundmaterials, dem hohen Druck ausgesetzt,
welche mit thermoplastischem Kunststoffmaterial versehen werden
sollen. Für
die meisten großflächigen Bauteile – beispielsweise
für Anwendungen
im Fahrzeugbau – ist
das Vorhandensein eines zusätzlichen
thermoplastischem Kunststoffmaterials nur dort notwendig, wo das
Bauteil mit anderen Bauteilen verbunden werden soll, oder wo Einlegeteile
angebracht werden sollen.
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Der
größte Teil
der Oberfläche
des Formteils wird daher nur einem Druck zwischen 5 und 20 bar ausgesetzt,
was zur Folge hat, dass der größte Teil der
Form nur für
einen Druck von maximal 20 bar ausgelegt werden muss.
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Nur
an den Stellen, an welchen ein thermoplastisches Kunststoffmaterial,
beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff
(GMT Material), aufgetragen werden muss, wird der hohe Druck von
100 bis 250 bar benötigt.
Für diese
Stellen wird jeweils ein äußerer Stempel
konstruiert, welcher diesen Druck auf die Oberfläche des Formteils ausübt. Das
GMT Material beginnt zu fließen
und kann den gewünschten
Oberflächenverlauf annehmen.
Die thermoplastische Schicht kann auch als Hohlkörper ausgebildet sein, in welchem
sich zumindest temporär
ein Druckmittel befindet. Die Verwendung eines Hohlkörpers erlaubt
eine weitere Gewichtsreduktion. Das thermoplastische Kunststoffmaterial
ist zumindest an einem Teil des Umfangs des Verbundmaterials angebracht.
In verschiedenen Anwendungsfällen
ist es erforderlich, dass nur Teile des Umfangs des Verbundmaterials
ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweisen. Dieses thermoplastische
Kunststoffmaterial kann auch ein Einlageteil umschließen oder
als Randleiste ausgebildet sein.
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Für Einlageteile,
Randleisten oder Hohlprofile wird abschnittsweise ein äußerer Stempel
mit Hochdruck beaufschlagt. Die punktförmige oder abschnittsweise
Verwendung eines derartigen äußeren Stempels
verringert die Investitionsaufwendungen. Nach dem Stand der Technik
müssten
zu diesem Zweck Formen vorgesehen werden, welche in ihrer Gesamtheit
hochdruckbeständig
sind. Insbesondere für
Verbundmaterialien mit großer
Ausdehnung machen sich diese Einsparungen an Investitionsaufwendungen
deutlich bemerkbar. Beispiele für
derartige Teile sind Fahrzeugaußenverkleidungen,
Ladeböden,
Fahrzeugdächer,
um nur einige Beispiele aufzuzeigen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Verbundmaterial
in einer Pressform bei niedrigem Druck (maximal 20 bar) verpresst
wird, der Stempel der Pressform auf dem Verbundmaterial verbleibt
und ein randseitig oder umfänglich
angeordnetes thermoplastisches Kunststoffmaterial durch Anbringung
eines hohen Drucks (150 bis 250 bar) in fließfähigen Zustand versetzt wird,
wobei das thermoplastische Kunststoffmaterial einen von mindestens
einem äußeren Stempel,
der Pressform und dem inneren Stempel begrenzten Hohlraum ausfüllt. Dabei
wird das thermoplastische Material in fließfähigen Zustand gebracht. Somit
handelt es sich um eine Kombination aus einem Pressverfahren und
einem Fließverfahren,
das fortan als Fließpressverfahren bezeichnet
werden soll. Sollen die herzustellenden Formteile eine dreidimensionale
Oberfläche
aufweisen, wird das Verbundmaterial zusätzlich mittels eines an das
Tiefziehverfahren angelehnten Prozesses verformt. Somit enthält das erfindungsgemäße Verfahren
Elemente eines Fließverfahrens,
eines Pressverfahrens und eines Tiefziehverfahrens.
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Somit
wird eine Form zur Aufnahme von Kunststoffmaterial zur Herstellung
dreidimensionaler, dünnwandiger
Formteile aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial und einem
Verbundmaterial mit thermoplastischen Anteilen vorgesehen, wobei diese
Form aus einer Pressform mit einem inneren Stempel und einem oder
mehreren äußeren Stempeln
versehen ist und diese Stempel unter verschiedenen Drücken arbeiten.
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Durch
die verschiedenen Drücke
wird somit einerseits der Verbund von Verbundmaterial und thermoplastischem
Kunststoffmaterial in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellt
und andererseits sinken die Kosten zur Herstellung der für das kombinierte Fliesspressverfahren
und den Tiefziehverfahren erforderlichen Werkzeuge, da nur der Teil
der Form unter hohem Druck arbeiten muss, welcher der Verarbeitung
des thermoplastischen Kunststoffmaterials dient. Durch den hohen
Druck beginnt das thermoplastische Kunststoffmaterial zu fließen und
es kommt zu einer Verbindung, welche in ihren mechanischen Eigenschaften
mit einer Verschweißung
vergleichbar ist. Zur Verbesserung der Verbindung und zu einer Erhöhung der
Verformungsgeschwindigkeit kann auch eine teilweise Beheizung der
Form vorgesehen werden, wenn die zu verarbeitenden Materialien nicht
durch den Wärmeeinfluss
Schaden nehmen. In derselben Pressform wird das Formteil geringfügig entlastet
und in einem weiteren Schritt immer noch in derselben Pressform
eine Beschichtung über
zumindest eine Oberfläche
des Formteils aufgetragen. Bei dieser Beschichtung kann es sich
um einen Lack, eine Grundierung oder ähnlichem handeln. Bei der Beschichtung
handelt es sich um ein flüssiges
oder zähflüssiges Material,
welches über
einen oder mehrere Einspritzpunkte unter Druck in die Form gelangt
und sich gleichmäßig über die
Oberfläche
des Formteils verteilt.
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Die
Verwendung einer Kombination von thermoplastischem Kunststoffmaterial
und Verbundmaterial eröffnet
vielfältige
Einsatzmöglichkeiten
für Verbundmaterialien,
welche als Formteile in Maschinen, Fahrzeugen und dergleichen eingebaut
werden sollen. Wenn das Verbundmaterial ein Strukturbauteil ist,
das heißt,
Schichten enthält,
welche das Verbundmaterial versteifen, aber druckempfindlich sind, ist
man beim Einsatz derartiger Verbundmaterialien bisher in der Wahl
des Verfahrens eingeschränkt
gewesen. Derartige druckempfindliche Schichten sind beispielsweise
Schaumschichten oder Schichten mit Verrippungen oder Zellstrukturen,
wie beispielsweise Wabenstrukturen. Weil diese Verbundmaterialien
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
nur geringen Pressrücken
ausgesetzt sind, erweitert sich die Anwendung des Verfahrens auf
eine Vielzahl von Leichtbauteilen.
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Um
derartige Verbundmaterialien für
ihren Bestimmungszweck einbaufertig liefern zu können, müssen die Randbereiche geformt
werden, um Ösen,
Verbindungselemente, Schienen und ähnliches aufzunehmen. Daher
ist ein thermoplastisches Kunststoffmaterial vorzugsweise in Randbereichen oder
Umfangsbereichen des Verbundmaterials angeordnet. Demzufolge sind
die äußeren Stempel
zumindest in einem Teilbereich nahe der äußeren Begrenzung des Formteils
angeordnet und zwar über einer
Schicht aus thermoplastischem Kunststoffmaterial. Um das thermoplastische
Kunststoffmaterial zu verpressen, entspricht die Auflagefläche des äußeren Stempels
im wesentlichen der Fläche
des thermoplastischen Materials in verpressten Zustand. Das Verbundmaterial
wird nur Drücken
ausgesetzt, die unbedingt für
dessen Formgebung erforderlich sind. Daher handelt es sich bei dem
inneren Stempel um einen Niederdruckstempel. Der vom Niederdruckstempel
ausgeübte
Druck ist kleiner oder gleich 20 bar, je nach Druckbeständigkeit
des Verbundmaterials, weil das Verbundmaterial mittels des Niederdruckstempels
verpresst wird.
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Insbesondere
bei ebenen Formteilen ist es vorteilhaft, wenn der Niederdruckstempel
mindestens einen Vorsprung aufweist. Dieser Vorsprung dient der
sauberen Trennung von Verbundmaterial und thermoplastischem Kunststoffmaterial.
Er verhindert, dass insbesondere bei der anschließenden Hochdruckbearbeitung
thermoplastisches Kunststoffmaterial auf die Oberfläche des
Verbundmaterials gelangt und so der optische Eindruck und die Oberflächeneigenschaften
der Oberfläche
des Verbundmaterials in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Dementsprechend
handelt es sich bei den äußeren Stempeln
um Hochdruckstempel, welche einen Druck von bis zu 250 bar auf das
thermoplastische Kunststoffmaterial aufbringen. In diesem Verarbeitungsschritt
wird mit dem Hochdruckstempel thermoplastisches Kunststoffmaterial
verpresst.
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Für den Hochdruckverfahrensschritt
sind wie auch für
den Niederdruckverfahrensschritt im Prinzip voneinander unabhängige Steuerungen
der jeweiligen Stempel erforderlich. Insbesondere für ebene Formteile
können
die beiden Steuerungen jedoch mittels eines Federelements gekoppelt
werden. Somit werden der Hochdruckstempel und Niederdruckstempel
im unbelasteten Zustand durch Federkraft in Position gehalten. Das
Federelement bewirkt, dass Hochdruckstempel und Niederdruckstempel
relativ zueinander beweglich sind. Somit wird der Niederdruckstempel
gemeinsam mit dem Hochdruckstempel auf das Formteil abgesenkt. Bei
weiterem Absenken des Hochdruckstempels wird das Federelement zusammengedrückt und
durch die gemeinsame Wirkung von Gewichtskraft und Federkraft kann
ein genau definierter Druck auf das Federelement ausgeübt werden.
Dieser genau definierte Druck wird auf den Niederdruckstempel übertragen.
Somit kann eine separate Drucksteuerung für den Niederdruckstempel entfallen.
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Der
Hochdruckstempel verfügt über eine
hydraulische Hebevorrichtung und Absenkvorrichtung zur genauen Positionierung
desselben und zur Drucksteuerung. Mit der Hebevorrichtung besteht auch
die Möglichkeit,
dass der Hochdruckstempel nach Abschluss des Formgebungsprozesses,
geringfügig
vom Formteil entfernt werden kann, sodass in den entstehenden Zwischenraum
eine Flüssigkeit eingespritzt
werden kann, welche als Beschichtung des Formteils dient. Bei einer
derartigen Beschichtung handelt es sich meist um eine Dekorschicht
in der Art eines Lacks oder einer Grundierung für einen nachträglichen
Auftrag einer Lackschicht, wenn das Formteil bestimmungsgemäß eingebaut
worden ist.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Formteils aus Kunststoff,
welches ein thermoplastisches Kunststoffmaterial und ein Verbundmaterial
mit thermoplastischen Anteilen enthält, umfasst mehrere Verfahrensschritte,
welche in einer einzigen Anlage ablaufen. In einem ersten Verfahrensschritt
wird das Verbundmaterial in eine Pressform eingelegt, in einem zweiten
Verfahrensschritt thermoplastisches Kunststoffmaterial in Randbereichen
des Verbundmaterials positioniert, in einem dritten Verfahrensschritt
ein Stempel auf die Oberfläche
des Verbundmaterials abgesenkt, in einem vierten Verfahrensschritt
ein zweiter Stempel auf das thermoplastische Kunststoffmaterial
abgesenkt und in einem fünften
Schritt alle Stempel von dem verbundenen thermoplastischen Kunststoffmaterial
und dem Verbundmaterial um ein geringes Maß entfernt werden, sodass ein
Zwischenraum entsteht, in welchen eine Beschichtung eingespritzt
wird. Nach Aushärtung
der Beschichtung wird in einem sechsten Schritt das fertige Pressteil
der Form entnommen. Der zweite Stempel arbeitet unter einem Druck,
unter welchem das thermoplastische Kunststoffmaterial fließfähig wird,
wobei es zu einem festen Verbund des thermoplastischen Kunststoffmaterials
mit dem Verbundmaterial kommt.
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Die
das Verbundmaterial aufnehmende Pressform, ist entweder eben oder
weist ein räumliches,
im wesentlichen konkaves Profil auf.
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Das
Verbundmaterial wird von einem Stempel mit einem konvexen Profil
mit einem Oberflächenverlauf,
welcher dem konkaven Profil entgegengesetzt ist, in eine dreidimensionale
Form gepresst. Somit können
mit diesem Verfahren nicht nur ebene Formteile, sondern auch dreidimensionale
Formteile hergestellt werden, ohne dass es zu einer Beschädigung des
Verbundmaterials kommt. In Umkehrung der Funktionen von Stempel
und Hohlform wird das Verbundmaterial auf eine Pressform in der
Form eines Stempels aufgelegt. Dann wird das Verbundmaterial von
einem Stempel mit einer hohlen, der stempelartigen Pressform entsprechenden
Gegenform in eine dreidimensionale Form gepresst.
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Das
Verbundmaterial wird von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial
zumindest teilweise begrenzt, wobei das thermoplastische Kunststoffmaterial
bereits verformt wird, bevor die beiden Formhälften geschlossen sind. Mit
dieser Maßnahme kann
die Zykluszeit verringert werden, da das Verbundmaterial bereits
seine endgültige
Form erhält, wenn
die beiden Formhälften
geschlossen sind.
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Zur
Herstellung des Presslings aus dem Verbundmaterial wird bei geschlossenen
Formhälften ein
Druck von maximal 20 bar auf das Verbundmaterial aufgebracht. Wenn
die Formhälften
geschlossenen sind, wird ein Druck von maximal 250 bar auf das thermoplastische
Kunststoffmaterial aufgebracht.
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Das
Verbundmaterial wird durch mindestens einen im Stempel vorgesehenen
Vorsprung gepresst. Mit dieser Maßnahme kann verhindert werden,
dass thermoplastisches Material in das Verbundmaterial eindringt
und es zu einer teilweisen Zerstörung
der mittleren Schichten des Verbundmaterials kommt, welche zu einem
wesentlichen Anteil aus Hohlräumen
oder Zellen bestehen. Dabei wird das Verbundmaterial unter definierten
Bedingungen soweit verpresst, dass es im Bereich des Vorsprungs
zu einer Verringerung der Dicke des Verbundmaterials kommt. Dabei
bleiben die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials im wesentlichen
erhalten, weil es sich um einen örtlich
genau begrenzten Bereich handelt.
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Somit
können
mit dem Verfahren Formteile mit den nachfolgenden Eigenschaften
in einer einzigen Anlage hergestellt werden, in welcher ein Pressverfahren
und ein Tiefziehverfahren zu dem sogenannten Fließpressverfahren
kombiniert wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Formteils aus Kunststoff,
welches ein thermoplastisches Kunststoffmaterial und ein Verbundmaterial
mit thermoplastischen Anteilen enthält, beinhaltet einen ersten
Verfahrensschritt, in welchem das Verbundmaterial in eine Pressform
eingelegt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird thermoplastisches
Kunststoffmaterial in Randbereichen des Verbundmaterials positioniert.
In einem dritten Verfahrensschritt wird ein innerer Stempel auf
die Oberfläche
des Verbundmaterials abgesenkt. In einem vierten Verfahrensschritt
wird mindestens ein äußerer Stempel
auf das thermoplastische Kunststoffmaterial abgesenkt und in einem
anschließenden
fünften Schritt
werden alle Stempel von dem verbundenen thermoplastischen Kunststoffmaterial
und dem Verbundmaterial entfernt, und das dünnwandige Formteil der Pressform
entnommen. Der zweite und jeder weitere äußere Stempel arbeiten unter
einem Druck, unter welchem das thermoplastische Kunststoffmaterial
fließfähig wird,
wobei es zu einem festen Verbund des thermoplastischen Kunststoffmaterials
mit dem Verbundmaterial kommt. Ein im Inneren des thermoplastischen
Kunststoffmaterials ausgebildeter Hohlraum bleibt während des
Pressvorgangs durch den sich aufbauenden Druck eines Druckmittels
bestehen.
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Das
Verfahren eignet sich in gleicher Weise für ebene Formteile nach einem
ersten Ausführungsbeispiel
wie auch für
dreidimensionale Formteile.
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Das
Verbundmaterial wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel auf eine Pressform
in der Form eines Stempels mit einem konvexen Profil aufgelegt. Das
Verbundmaterial wird von einem Stempel mit einem konkaven Profil
mit einem Oberflächenverlauf, welcher
der Pressform in der Form eines Stempels mit konvexem Profil entgegengesetzt
ist, in eine dreidimensionale Form gepresst.
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Das
Verbundmaterial wird in einem dritten Ausführungsbeispiel auf eine Pressform
mit einem konkaven Profil aufgelegt. Das Verbundmaterial wird von
einem Stempel mit einem konvexen Profil in eine dreidimensionale
Form gepresst.
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In
jedem der Ausführungsbeispiele
kann das thermoplastische Kunststoffmaterial bereits verformt werden,
bevor die jeweiligen Stempel und die Pressformen geschlossen sind.
Das Verbundmaterial erhält
seine endgültige
Form wenn die jeweiligen Stempel und die Pressformen geschlossen
sind.
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Bei
geschlossenen Formhälften
wird ein Druck von maximal 20 bar auf das Verbundmaterial und ein
Druck von maximal 250 bar auf das thermoplastische Kunststoffmaterial
aufgebracht. Das Verbundmaterial wird durch mindestens einen im
Stempel vorgesehenen Vorsprung oder Endabschnitt gepresst.
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Eine
Beschichtung kann mittels eines Druckmittels oder als unter Druck
stehende Flüssigkeit durch
eine in der Pressform angebrachte Zuleitung eingeleitet werden.
Die Zuleitung kann mindestens eine Düsenvorrichtung enthalten.
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Mittels
der Düsenvorrichtung
wird die unter Druck stehende Beschichtung entlang des Wandbereichs
des thermoplastischen Kunststoffmaterials verteilt. Dazu enthält der Wandbereich
eine Ausnehmung, die sich mit unter Druck stehender Beschichtung
füllt.
Erst dann wird der Hochdruckstempel 0,5 bis 2 mm von der Pressform
entfernt, sodass ein Zwischenraum zwischen Pressform und der zu
beschichtenden Oberfläche
des Formteils entsteht. Die sich entlang des Wandbereichs befindliche
unter Druck stehende Beschichtung füllt den als Hohlraum ausgebildeten
Zwischenraum zwischen Pressform und Formteil aus.
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Die
Beschichtung kann auch direkt über
eine Zuleitung mit einer Düse
eingebracht werden. Somit breitet sich die Beschichtung von diesem
oder diesen Einspritzpunkten ausgehend über die zu beschichtende Oberfläche des
Formteils aus.
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Die
Erfindung betrifft ein Formteil aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial
und einem Verbundmaterial, wobei das Verbundmaterial einen mehrschichtigen
Aufbau aufweist und mindestens eine Kernschicht und je eine Verstärkungsschicht umfasst,
wobei die Kernschicht einen zellenartigen Aufbau hat, und die Verstärkungsschichten
aus thermoplastischem Material bestehen. Das Verbundmaterial ist
zumindest an Teilen seines Umfangs von thermoplastischem Kunststoffmaterial
umgeben und kann enthält
mindestens einen Hohlraum enthalten. Der Hohlraum bietet neben dem
Vorteil der Gewichtsreduktion auch die Möglichkeit, dünnwandige
Verbindungsstrukturen zu erzeugen, die elastische Eigenschaften
aufweisen. Somit können
Bereiche des thermoplastischen Kunststoffmaterials auch die Funktion
eines Verbindungselements erfüllen.
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In
vorteilhaften Ausführungsbeispielen
besteht der zellenartige Aufbau des Kernmaterials des Verbundmaterials
aus einer Wabenstruktur. Diese Wabenstruktur übernimmt auch die Funktion
eines Gerippes, um den Abstand der Deckschichten festzulegen. Ein
Formteil aus einem derartigen Verbundmaterial weist fast dieselbe
Biegesteifigkeit wie ein Formteil aus einem thermoplastischen Material
auf, bietet aber den Vorteil eines stark reduzierten Gewichts. Wenn
die Biegesteifigkeit nicht von so großer Bedeutung ist, weist der
zellenartige Aufbau Schaumstruktur auf, wobei die Pressdrücke an das verwendete
Schaummaterial angepasst werden müssen. Anstatt einer Wabenstruktur
ist es auch möglich,
eine Gitterstruktur oder Zellstruktur zu verwenden, welche mit der
Wabenstruktur vergleichbare Eigenschaften hat, was die Formbeständigkeit
und Steifigkeit des Verbundmaterials betrifft.
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Dadurch,
dass das Sandwichmaterial großflächig nicht
mehr durch den hohen Druck in Mitleidenschaft gezogen wird, bleibt
die Steifigkeit des Materials erhalten, weil die Vorteile eines
Sandwichmaterials mit Wabenkern vollumfänglich ausgenützt werden
können.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, mechanische Eigenschaften,
wie die Materialhärte,
gezielt beeinflussen zu können,
weil nur abschnittsweise Hochdruck eingesetzt wird.
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Zudem
ist eine Vielfalt an Materialien für die Verstärkung einsetzbar (Naturfaser,
PP-Faser, Glasfaser
oder andere Verstärkungsfasern).
Die Verstärkung
soll 50% des Grundmaterials nicht überschreiten, um eine ausreichende
Fließfähigkeit
des Materials zu gewährleisten.
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Ein
weiterer Vorteil ist die Anbringung einer Beschichtung zu dekorativen
Zwecken bereits in der Form selbst. Die Beschichtung kann über einen
oder mehrere Einspritzpunkte oder über ein mit Beschichtungsmaterial
ausgefülltes
Volumen entlang mindestens einer Seitenfläche in einen Zwischenraum zwischen
Pressform und Formteil eingespritzt werden.
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Ein
Verbundmaterial wird mit thermoplastischem Kunststoffmaterial in
einer Kombination von Pressverfahren und Tiefziehverfahren gemeinsam verarbeitet.
Das Verbundmaterial wird in die Pressform oder Tiefziehform eingelegt
und unter Druck gefügt.
Bei herkömmlichen
Verfahren gibt es dabei Abfall durch überstehende Randbereiche, welche
durch das Verpressen des Verbundmaterials entstehen.
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Diese
Randbereiche können
entfallen, wenn an das Verbundmaterial eine Schicht aus thermoplastischem
Kunststoffmaterial anschließt
(verpresstes GMT, gespritztes PP). Das thermoplastische Kunststoffmaterial
wird durch das Presswerkzeug in eine Form gebracht, welche der gewünschten
Begrenzung des Bauteils entspricht.
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Durch
den Pressvorgang fließt
das thermoplastische Material und füllt den Hohlraum zwischen den
beiden Werkzeughälften
der Pressform aus. Der Fließvorgang
kann durch mindestens einen Hohlraum, welcher mit einem Druckmittel
beaufschlagt wird, unterstützt
werden. Zudem ist es mittels des Verfahrens möglich, zwei- oder dreidimensionale Formteile
in einem einzigen Presswerkzeug herzustellen. Die Möglichkeit,
eine Einspritzvorrichtung für Beschichtungen
in das Presswerkzeug zu integrieren, erlaubt die Herstellung einer
Dekorschicht in der Pressform. Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein einbaufertiges
Formteil in einer einzigen Maschine herzustellen.
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1a ist ein Schnitt durch
einen Teil der erfindungsgemäßen Form
vor Behandlung des Verbundmaterials
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1b ist ein Schnitt durch
einen Teil der erfindungsgemäßen Form
zur Herstellung des Verbundmaterials
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1c ist ein Schnitt durch
einen Teil der erfindungsgemäßen Form
zur Anformung des thermoplastischen Kunststoffmaterials an das Verbundmaterial
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1d ist ein Schnitt durch
einen Teil der erfindungsgemäßen Form
zur Anformung des thermoplastischen Kunststoffmaterials an das Verbundmaterial
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1e ist ein Schnitt durch
einen Teil der erfindungsgemäßen Form
zur Anformung des thermoplastischen Kunststoffmaterials an das Verbundmaterial
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2a ist ein Schnitt durch
ein Bauteil, welches mit dem Verfahren nach 1a bis 1e hergestellt
wurde.
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2b ist eine Ansicht eines
Bauteils nach 2a
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3 zeigt weitere mögliche Anwendungsbeispiele
der Kombination von Verbundmaterialien mit thermoplastischen Kunststoffmaterialien
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4 zeigt weitere Anwendungsbeispiele mit
zusätzlichen
Dekorschichten
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5a zeigt den ersten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Verbundmaterials aus einem
Plattenmaterial
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5b zeigt einen zweiten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Verbundmaterials aus einem
Plattenmaterial
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5c zeigt den letzten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Verbundmaterials aus einem
Plattenmaterial
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6a zeigt einen ersten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Formteils aus einem Verbundmaterial
mit einer zusätzlichen
Verstärkungsschicht
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6b zeigt einen zweiten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Formteils aus einem Verbundmaterial
mit einer zusätzlichen
Verstärkungsschicht
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6c zeigt einen dritten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Formteils aus einem Verbundmaterial
mit einer zusätzlichen
Verstärkungsschicht
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6d zeigt einen vierten Schritt
der Herstellung eines dreidimensionalen Formteils aus einem Verbundmaterial
mit einer zusätzlichen
Verstärkungsschicht
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7a zeigt eine Einspritzung
entlang eines Flächenbereichs
im Schnitt
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7b zeigt eine Einspritzung
entlang eines Flächenbereichs
in einer Ansicht von oben unter Weglassung des Stempels.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel
mit unterbrochenen Randbereichen
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In 1a wird der erste Schritt
zur Herstellung eines Formteils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Dazu wird ein mehrschichtiges Verbundmaterial 4 in
eine Pressform 5 eingelegt. In den Randbereichen des Verbundmaterials 4 wird zumindest
abschnittsweise ein thermoplastisches Kunststoffmaterial 6 als
Strang oder Wulst gelegt. Das thermoplastische Kunststoffmaterial 6 kann
mindestens einen Hohlraum 43 aufweisen, welcher mit einem
Druckmittel gefüllt
ist. Das den Querschnitt bildende thermoplastische Kunststoffmaterial
verteilt sich in dem Zwischenraum zwischen Formwand 29 und
dem Rand 30 des Verbundmaterials unter Druck derart, dass
es eine Dicke von mindestens 2 mm aufweist. Das Verbundmaterial
weist ungefähr
eine Dicke von 5 mm auf.
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Dann
wird nach der Darstellung in 1b ein mehrteiliger
Stempel abgesenkt. Dieser Stempel besteht aus mindestens einem Hochdruckstempel 2 und
einem Niederdruckstempel 3. Die Hochdruckstempel und Niederdruckstempel
können
durch Federelemente 7 miteinander gekoppelt sein, wie in
diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt wird. In 1b ist
das Federelement entlastet. Sobald der Niederdruckstempel 2 auf
die Oberfläche
des Verbundmaterials auftrifft, wird das Federelement belastet.
Der Niederdruckstempel kann einen oder mehrere Vorsprünge 8 aufweisen,
die mit Zunahme der Federkraft den Bereich 31 des Verbundmaterials
plastisch verformen, welcher unter dem Vorsprung liegt. Dabei wird
im wesentlichen die Hohlraumstruktur der Kernschicht (zu dem Aufbau
des Verbundmaterials siehe 2a, 2b, 4) zerstört, welche einer derartigen
lokalen Belastung nicht stand hält.
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Gleichzeitig
werden die Hochdruckstempel, von denen in 1b nur ein einziger dargestellt ist, weiter
in Richtung des thermoplastischen Kunststoffmaterials – also in
der Zeichnung nach unten – verschoben,
bis sie mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial in Kontakt
kommen.
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In 1c ist dargestellt, wie
das thermoplastische Kunststoffmaterial 6 den zur Verfügung stehenden
Querschnitt ausfüllt.
Um einen festen Verbund zwischen dem Verbundmaterial 4 und
dem thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 zu erreichen, kann
es vorteilhaft sein, den Hochdruckstempel 2 soweit abzusenken,
dass die Struktur der Kernschicht 16 im Randbereich zerstört wird.
Durch den Druck von bis zu 250 bar dringt das fließfähige thermoplastische
Kunststoffmaterial in die Kernschicht ein und kann auch, die Randbereiche
der Deckschichten oder Mantelschichten 32 des Verbundmaterials 4 umhüllen. Der
Hohlraum 43 wird dabei in begrenztem Ausmaß mitverformt.
Wenn das Innere des Hohlraums 43 selbst unter Druck steht,
ist gewährleistet, dass
die Wandstärke
des thermoplastischen Kunststoffmaterials über den Hohlquerschnitt annähernd konstant
ist. Wenn die Deckschichten des Verbundmaterials ebenfalls aus einem
faserverstärkten,
fließfähigen Kunststoff
ausgebildet sind, beginnen auch die Randbereiche der Deckschichten
oder Mantelschichten 32 selbst zu fließen und so einen homogenen Übergang
von thermoplastischem Kunststoffmaterial 4 und Verbundmaterial 6 auszubilden.
Das thermoplastische Kunststoffmaterial 4 füllt die
Hohlräume bis
zu dem vom Vorsprung 8 eingedrückten Bereich 31.
Somit hat der Vorsprung 8 auch die Funktion, die unkontrollierte
Ausbreitung des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 in
die Kernschicht 16 zu unterbinden.
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In
1d ist dargestellt, wie
ein Dekormaterial in einen durch geringfügiges Anheben der Hochdruckstempel
2 und
des Niederdruckstempels
3 entstehenden Zwischenraum zwischen
Verbundmaterial
4 bzw. thermoplastischem Kunststoffmaterial
4 und der
Pressform
5 eingespritzt wird. Auf die Hochdruckstempel
2 wirkt
nicht mehr der Maximaldruck der Presse, sodass der Zwischenraum
gebildet wird. Durch den Gegendruck der Hochdruckstempel
2 und des
Niederdruckstempels
3 wird aber verhindert, dass es durch
den Einspritzdruck zu lokalen Verformungen des Formteils kommt.
Die Einspritzvorrichtung
49 kann entweder ein punktförmiges Einspritzen ermöglichen,
wobei beispielsweise eine Düse,
wie sie in
GB 1 475
478 A1 offenbart wird, zum Einsatz kommen kann, oder die
Einspritzung über
einen flächenförmigen Bereich
erfolgt, wie in
7a oder
7b offenbart wird.
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In 1e der letzte Schritt des
Fließpressverfahrens
dargestellt. Die Hochdruckstempel 2 und Niederdruckstempel 3 werden
in die Ausgangspositionen zurückgefahren
und das fertige Formteil aus der Pressform entnommen (nicht dargestellt).
Vor der Entnahme kann eine Abkühlung
des Formteils vorgesehen werden, was insbesondere bei großflächigen Formteilen
Verzugsproblemen, die auf thermischen Spannungen beruhen, zuvorkommt.
Insbesondere das thermoplastische Kunststoffmaterial und das Dekormaterial
sollte genügend
ausgehärtet
sein damit die Dekorschicht in jedem Bereich auf dem Verbundmaterial 4 oder
dem thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 haftet. Insbesondere,
wenn in thermoplastischen Kunststoffmaterial Hohlräume vorhanden sind,
wie in den 1a bis 1e linksseitig dargestellt wird,
kann ein derartiger Hohlraum, der durch die Anbringung von Verbindungselementen,
wie beispielsweise den in 3 dargestellten
Verbindungsleisten 15 durchstoßen wird und noch unter innerem
Druck steht, einem so erfolgenden Druckausgleich standhalten, ohne,
dass es bei fertig ausgehärtetem
thermoplastischen Material zu Schwindungserscheinungen kommt.
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Das
Verbundmaterial nach 2a, 2b und 4 wird aus Gründen der Gewichtsreduktion eingesetzt.
Trotz der in der Kernschicht 16 vorhandenen Hohlräumen, Aussparungen
oder Zellen ist es möglich,
ein Leichtbauteil mit hoher Steifigkeit herzustellen. Die Werte
für die
Steifigkeit werden im wesentlichen durch die Materialeigenschaften
der die Kernschicht begrenzenden Rand- oder Verstärkungsschichten
bestimmt. Aus diesem Grund besteht das Verbundmaterial aus mindestens
einer Schicht, die einen wesentlichen Anteil an Hohlräumen aufweist.
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Diese
sogenannte Kernschicht 16 wird dann von Verstärkungsschichten 17 aus
Kunststoffmaterial umgeben, wobei das Kunststoffmaterial zusätzlich faserverstärkt sein
kann. Würde
man einen mit Kunststoffmaterial vollständig gefüllten Querschnitt aus demselben
Kunststoffmaterial mit Faserverstärkung oder aus mehreren Schichten
fertigen, die keine Hohlräume
enthalten beträgt
der Gewichtsunterschied bis zu 40%. Da die von der Kernschicht eingenommenen
mittleren Querschnittsabschnitte kaum zur Biegesteifigkeit beitragen,
werden diese Querschnittsbereiche soweit möglich durch eine Schicht mit
einer Struktur aus vielen Hohlräumen,
Aussparungen oder Zellen ersetzt. Mit dieser Maßnahme wird die Biegesteifigkeit
nur unwesentlich verringert, da die Randbereiche aus faserverstärktem Kunststoff die
Hauptlast tragen. Allerdings ist die Stabilität gegenüber Druckkräften, welche auf die Oberfläche wirken,
vermindert. Daher werden derartige Verbundbauteile unter möglichst
geringem Druck bei einer Temperatur, bei welcher es zum Erweichen
der Schichten kommt, in einem Pressverfahren hergestellt. Dieses
Konzept ist nicht auf das Verbundmaterial des in 2a, 2b oder 4 dargestellten Bauteils
begrenzt, sondern kann auch auf den Randbereich, welcher aus thermoplastischem
Kunststoffmaterial besteht, ausgedehnt werden.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
das Verbundmaterial 4 eine Sandwichstruktur auf, welche vorzugsweise
aus einem wabenförmigen
Material 16 im Kernbereich besteht und mindestens je eine
Verstärkungsschicht 17, 18 enthält.
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Die
Kernschicht 16 besteht beispielsweise aus Polypropylen
und die Verstärkungsschichten 17, 18 aus
einem faserverstärkten
Polypropylen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kernschicht 16 aus
expandiertem Polypropylen oder aus einem Schaummaterial mit oder ohne
Verstärkungsrippen
bestehen. Die Verwendung eines geschäumten Kernmaterials erfüllt die
Forderungen nach Leichtbauweise, bietet die Möglichkeit, je nach Schaumdichte
verschiedenste Verhältnisse von
Bauteilvolumen zu Bauteilgewicht zu realisieren und ermöglicht eine
recyclinggerechte Materialauswahl, da die Kernschicht wie die Verstärkungsschichten
fast ausschließlich
aus Polypropylen hergestellt werden kann und somit ein Monomaterialkonzept realisiert
werden kann.
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Wenn
ein Monomaterialkonzept nicht gewünscht wird, ist es auch möglich, verschiedenste Materialien
mit unterschiedlichen Schmelzpunkten zu kombinieren. Da das Verfahren
unter Druck arbeitet und es nicht zu einer wesentlichen Erwärmung der Schichten
kommt bzw. eine Beheizung der Schichten zwar vorgesehen werden kann,
aber für
das Verfahren nicht überragenden
Einfluss hat, bietet das Verfahren die Möglichkeit, verschiedenste Kunststoffmaterialien,
oder auch Hybridbauteile (das heißt Kunststoff-Metall-Verbundbauteile)
zu kombinieren, um Formteile herzustellen.
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Zudem
können
Dekorschichten auf den Oberflächen
der Verstärkungsteile
vorgesehen werden. Die Beschichtung kann als Lack, als Film oder als
Formhaut ausgebildet sein, die bei ausreichender Druckbeständigkeit
zusammen mit dem Sandwichmaterial verpresst wird, andernfalls in
einem nachträglichen
Bearbeitungsschritt aufgetragen werden kann.
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Die
Verwendung von Dekorschichten, die eine Struktur aufweisen, erlaubt
es, auch Stoffe, Vliese, Matten und andere Gewebestrukturen zu dekorativen
Zwecken mit dem Sandwichmaterial zu verbinden. Es ist darauf zu
achten, dass in den Bereichen, in denen der Hochdruckstempel wirkt,
derartige Schichten nicht vorgesehen werden sollten, weil die Gefahr
besteht, dass die Schichten durch den hohen Druck Schaden erleiden.
Um diese Schädigungen
zu vermeiden, kann auch vorgesehen werden, die Pressform selbst
mit einer Struktur zu versehen, welche die Dekorschichten) aufnimmt.
Diese Strukturen können
auch abschnittsweise vorgesehen werden, um verschiedene Dekorschichten
zu kombinieren. Dabei ist eine Trennlinie zwischen verschiedenen Dekorschichten
ebenfalls durch einen Eintrag von Hochdruck entlang einer Linie
herstellbar. Entlang dieser Linie fließt Kunststoffmaterial unter
Druck in einen Kanal, welcher die Form der Trennlinie aufweist. Das
fließfähige Kunststoffmaterial
kann auch unter die Dekorschichten eingelegt werden, sodass der Fliessvorgang
zwischen den Randbereichen der Dekorschichten und der Verstärkungsschicht
statt findet.
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Andere
Deckschichten machen die Verformungsbewegungen mit, wie beispielsweise
Vliese. Vliese haben eine unregelmäßige Faserstruktur, wobei die
Fasern gegeneinander beweglich sind. Diese Beweglichkeit kann dazu
genützt
werden, die Vliesschicht mit dem Verbundmaterial mit zu verformen. Auch
dreidimensionale Formteile lassen sich mit einer derartigen Vliesschicht
herstellen.
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Da
eine Vliesschicht auch die Oberflächenrauhigkeit erhöht, ist
es auch möglich,
diese Schicht mit einer Lackschicht zu tränken oder mit einer Folie zu
verkleben oder sogar in einem einzigen Arbeitsschritt eine Dekorschicht
in der Form auf die Vliesschicht auf dem Verbundmaterial aufzuspritzen.
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3 zeigt mögliche Ausgestaltungen
der Randbereiche aus thermoplastischem Kunststoffmaterial und die
mögliche
Anbringung von Verbindungselementen. Das Verbundmaterial 4 wird
dabei von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 teilweise
ummantelt. Auf dem thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 kann
ein Blech oder dergleichen als Ummantelung 10 vorgesehen
werden. Die Ummantelung 10 kann auch, wie in der 3 linksseitig dargestellt
wurde, als Metallaufsatz 13 auf die fließfähige Schicht
ausgebildet sein. Ummantelungen 10 und fließfähige Schicht 12 werden
in dem Presswerkzeug derart positioniert, dass der Hochdruckstempel 2 auf die
Ummantelung wirkt. Durch den Anpressdruck wird das thermoplastische
Kunststoffmaterial 6 in fließfähigen Zustand versetzt. Der
im thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 vorhandene Hohlraum 43 ist
dabei mit Druckgas oder Druckflüssigkeit
gefüllt. Wenn
der Anpressdruck auf das hohle thermoplastische Kunststoffmaterial
wirkt, wird das thermoplastische Kunststoffmaterial fließfähig und
passt sich der gewünschten
Form an.
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In 5a wird der erste Verfahrensschritt
eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung dargestellt. Nach diesem Verfahren wird ein dreidimensionales
Formteil aus einem Verbundmaterial 4 hergestellt. Dazu
wird ein plattenförmiges
Halbzeug auf eine Positivform gelegt. Die Positivform hat eine horizontale
Auflagefläche 33,
auf welche ein Strang 12 aus einem thermoplastischen, fließfähigen Kunststoffmaterial 6 aufgelegt
wird. Der Strang 12 weist ebenfalls einen Hohlraum 43 auf,
der mit Druckmittel gefüllt
sein kann. Die Negativform 24 ist so weit geöffnet, dass
das Verbundmaterial 4 und das thermoplastische Kunststoffmaterial 6 eingelegt
werden können.
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Eine
Einspritzvorrichtung
49 ist vorgesehen, um ein Dekormaterial
in das fertige Formteil einspritzen zu können. Die Einspritzvorrichtung
ist Bestandteil der Positivform
25 aber durch ein Ventil
im Sinn der
GB 1 475
718 A geschlossen. Gleichartige Einspritzvorrichtungen
können
auch in der Negativform
24 vorgesehen werden, sie sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Daher ergibt sich auch, dass sowohl die konvexe,
als auch die konkave Seite des aus dem Verbundmaterial
4 und
dem thermoplastischen Kunststoffmaterial
6 bestehenden Formteils
mit einem Dekormaterial
50 beschichtet werden, welches
als Dekorschicht mindestens eine dekorative oder funktionale auf
dem Formteil ausbildet.
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In 5b ist der Schließvorgang
der Negativform dargestellt, welche sich über die Positivform stülpt. Das
Verbundmaterial passt sich der Formgeometrie an und wird durch die
schrägen
Seitenflächen 34 der
Negativform 24 nicht nur positioniert, sondern auch leicht
gestreckt, sodass es nicht zu Buckeln oder Materialanhäufungen
kommt, wodurch einzelne Teilbereiche des Verbundmaterials Schaden
erleiden können.
Der Abstand der beiden Formhälften
entspricht im Bereich der zentralen Auflage des Verbundmaterials 35 der
Summe aus der gewünschten Dicke
des Verbundmaterials und der Differenz der gewünschten Dicke des thermoplastischen
Kunststoffmaterials und der ursprünglichen Dicke des Verbundmaterials.
Diese Differenz wird Null, wenn die beiden Dicken identisch sein
sollen. Der Abstand des Aufnahmebereichs in der Positivform 28 vom
Aufnahmebereich 29 in der Negativform vermindert sich gegenüber dem
Abstand der beiden Formhälften
im Bereich der zentralen Auflage um die Dicke des Verbundmaterials
abzüglich
der gewünschten
Wandstärke
des thermoplastischen Kunststoffmaterials. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine geringere Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials
vorgesehen. Zudem wird ein fließender Übergang der
Dicke des Verbundmaterials zu der Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials
vorgesehen. Dazu hat die Positivform einen Endabschnitt 26,
welcher einen von dem Wandabschnitt 36 abweichenden Neigungswinkel
aufweist. Im dargestellten Beispiel ist daher ein geringerer Neigungswinkel
des Endabschnitts 26 dargestellt.
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In 5c ist dann der Endzustand
erreicht. Durch die erhöhte
Verpressung des Endabschnitts 26 wird einerseits verhindert,
dass das thermoplastische Kunststoffmaterial 6 sich zwischen
die beiden Deckschichten in die Strukturschicht einlagert. Wie im
ersten Ausführungsbeispiel
können
an den beiden Formhälften
Rippen oder Vorsprünge
angebracht werden, die eine lokale Einschnürung des Verbundmaterials 4 bewirken
und somit eine weitere Barriere für die Ausdehnung des thermoplastischen
Kunststoffmaterials 6 darstellen.
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Des
weiteren ist in 5c dargestellt,
wie eine Einspritzvorrichtung 49 angeordnet sein kann, um
den Hohlraum mit Dekormatenal auszukleiden. Die Darstellung ist
in keiner Weise auf die Einspritzung von Dekormatenal in den konkaven
Bereich des Verbundmaterials 4 und des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 begrenzt,
in gleicher Weise kann eine Einspritzvorrichtung in der Negativform 24 vorgesehen
sein. Der letzte Verfahrensschritt der Öffnung der beiden Formhälften ist
nicht dargestellt. Zusätzlich
können
in dem Bereich des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 im
Auflagebereich in der Positivform oder im Aufnahmebereich der Negativform
Heizvorrichtungen vorgesehen sein, wodurch eine Fließfähigkeit
des Kunststoffmaterials schon bei geringeren Pressdrücken erreicht
wird. Je nach gewünschter
Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6, welches
den Rahmen oder die Abschlussbereiche des Verbundmaterials bildet,
mit welchem das Verbundmaterial mit andere Bauteilen verbunden wird,
wird der benötigte
Innendruck allein durch die Wahl der Formtoleranzen oder nur durch Kombination
der Formtoleranzen mit einer Erwärmung
des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 erreicht.
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In 6a wird der erste Verfahrensschritt
eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung dargestellt. Nach diesem Verfahren wird ein dreidimensionales
Formteil aus einem Verbundmaterial 4 hergestellt. Dazu
wird ein plattenförmiges
Halbzeug auf eine Negativform 38 gelegt. Die Negativform
hat eine horizontale Auflagefläche 37,
auf welche ein Strang 12 aus einem thermoplastischen, fließfähigen Kunststoffmaterial
aufgelegt wird. Der Strang 12 kann ebenfalls einen Hohlraum 43 aufweisen,
der mit Druckmittel gefüllt
sein kann. Die Positivform 39 ist so weit geöffnet, dass
das Verbundmaterial 4 und das thermoplastische Kunststoffmaterial 12 eingelegt werden
können.
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Zwischen
der Negativform 38 und dem Verbundmaterial 4 ist
eine Schicht 40 aufgespannt, welche verhindert, dass das
Verbundmaterial unkontrolliert in die Öffnung der Negativform fällt. Diese Schicht 40 besteht
aus elastischem Material, welches sich unter Ausübung der Pressdrücke nicht
mit dem Verbundmaterial verbindet. Dazu ist sie entweder mit haftungsabweisenden
Substanzen beschichtet oder lässt
sich wie eine Folie abziehen. Wenn die Schicht 40 aus elastischem
Material gefertigt ist, und sich nicht mit dem Verbundmaterial 4 oder
thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 verbindet, kann
dieselbe Schicht für
eine Anzahl von Presszyklen wieder verwendet werden. In einer anderen
Ausführungsart wird
die Schicht 40 zwar mit Spannvorrichtungen 41 vorgespannt,
allerdings werden die Spannvorrichtungen auf eine begrenzte Zugspannung
voreingestellt. Wenn die Zuspannung in der Schicht den voreingestellten
Wert übersteigt,
wird die Schicht 41 nachgeführt. Insbesondere bei tiefen
Bauteilen oder scharfen Kanten der Formteile wird diese Schicht
dann nicht überdehnt.
Allerdings muss eine minimale Zugspannung gewährleistet sein.
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In 6b ist eine erste Phase
des Schließvorgangs
der Positivform 39 durch Annäherung an die Negativform 38 dargestellt.
Das Verbundmaterial 4 passt sich der Formgeometrie der
Positivform 39 an und wird durch die Schicht 40 korrekt
positioniert.
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In 6c ist eine zweite Phase
des Schließvorgangs
der Positivform 39 durch Annäherung an die Negativform 38 dargestellt.
Das Verbundmaterial 4 passt sich der Formgeometrie der
Positivform weiter 39 an und wird durch die Schicht 40 und
die Wand der Negativform 38 genau positioniert. Der Strang 12 des
thermoplastischen Kunststoffmaterials wird mit dem Verbundmaterial
mit verschoben und in den Zwischenraum zwischen Positivform und
Negativform aufgenommen.
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Zusätzlich können in
dem Bereich des thermoplastischen Kunststoffmaterials im Auflagebereich in
der Positivform oder im Aufnahmebereich der Negativform Heizvorrichtungen
vorgesehen sein, wodurch eine Fließfähigkeit des Kunststoffmaterials schon
bei geringeren Pressdrücken
erreicht wird. Je nach gewünschter
Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials, welches den Rahmen oder
die Abschlussbereiche des Verbundmaterials bildet, mit welchem das
Verbundmaterial mit andere Bauteilen verbunden wird, wird der benötigte Innendruck
allein durch die Wahl der Formtoleranzen oder nur durch Kombination
der Formtoleranzen mit einer Erwärmung
des thermoplastischen Kunststoffmaterials erreicht.
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In 6d ist dann der Endzustand
erreicht. Durch die erhöhte
Verpressung des Endabschnitts 26 wird einerseits verhindert,
dass das thermoplastische Kunststoffmaterial sich zwischen die beiden Deckschichten
in die Strukturschicht einlagert. Wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
können an
die beiden Formhälften
Rippen oder Vorsprünge angebracht
werden, die eine lokale Einschnürung des
Verbundmaterials bewirken und somit eine weitere Barriere für die Ausdehnung
des thermoplastischen Kunststoffmaterials darstellen.
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Der
Abstand der beiden Formhälften
entspricht im Bereich der zentralen Auflage des Verbundmaterials 35 der
Summe aus der gewünschten Dicke
des Verbundmaterials und der Differenz der gewünschten Dicke des thermoplastischen
Kunststoffmaterials und der ursprünglichen Dicke des Verbundmaterials.
Diese Differenz wird Null, wenn die beiden Dicken identisch sein
sollen. Der Abstand des Aufnahmebereichs in der Positivform 28 vom
Aufnahmebereich 29 in der Negativform vermindert sich gegenüber dem
Abstand der beiden Formhälften
im Bereich der zentralen Auflage um die Dicke des Verbundmaterials
abzüglich
der gewünschten
Wandstärke
des thermoplastischen Kunststoffmaterials. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine geringere Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials
vorgesehen. Zudem wird ein fließender Übergang der
Dicke des Verbundmaterials zu der Dicke des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 vorgesehen.
Dazu hat die Positivform einen Endabschnitt 26, welcher
einen von dem Wandabschnitt 36 abweichenden Neigungswinkel
aufweist. Im dargestellten Beispiel ist daher ein geringerer Neigungswinkel
des Endabschnitts 26 dargestellt.
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Der
letzte Verfahrensschritt der Öffnung
der beiden Formhälften
ist nicht dargestellt. Allerdings sind mehrere Einspritzvorrichtungen 49 vorgesehen, mittels
welchen eine Beschichtung in einen Zwischenraum von 0,5 bis 2 mm
zwischen der Negativform 38 und dem aus dem Verbundmaterial 4 und dem
thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 eingespritzt wird.
Der Zeitpunkt des Einspritzens ist somit unmittelbar anschließend an
das Signal zum Öffnen der
beiden Formhälften.
Während
des Einspritzens und einer darauf folgenden Abkühlungs- oder Aushärtungsphase
der eingespritzten Dekorschicht verbleiben die Formhälften in
dem oben angegebenen Abstand. Soll die elastische Schicht 40 durch
eine Dekorschicht ersetzt werden, ist zumindest an einer zentral angeordneten
Einspritzvorrichtung eine Einstichvorrichtung vorgesehen, welche
bei Ausbildung eines geringen Formabstandes ausgelöst wird,
um die elastische Schicht zu durchtrennen. Die Vorspannung der elastischen
Schicht ist derart gewählt,
dass sie sich nach der Durchtrennung durch die mittige Schneidvorrichtung
in den Randbereich des Formteils zurückzieht und bei einem Zwischenhub
der Positivform 39 einfach entnommen werden kann.
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In
einer anderen Ausführung
ist die elastische Schicht 40 beispielsweise ein Vlies.
Diese Schicht wird mit dem thermoplastischen Kunststofmaterial 6 und
dem Verbundmaterail 4 mit verpresst und von dem fließfähigen thermoplastischen
Kunststoffmaterial zumindest teilweise umlagert. Durch diese Umlagerung
ist das Vlies nach Ende des Pressvorgangs in seiner Position fixiert.
Wenn nun die Positivform 39 um wenige Millimeter von der
Negativform 38 entfernt wird, verbleibt das Vlies in seiner
Position. Durch die symmetrisch angeordneten Einspritzvorrichtungen
wirken auch allseits gleiche oder ähnliche Druckkräfte auf
die Vliesschicht, sodass es nicht zu einer Verschiebung der Vliesschicht relativ
zu dem Verbundmaterial 4 oder dem thermoplastischen Kunststoffmaterial 6 kommen
kann. Das Vlies hat somit die Funktion einer Haftvermittlerschicht.
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Wie
in den vorhergehenden Beispielen ist es möglich, die Einspritzvorrichtungen
auch in der Positivform anzuordnen. Grundsätzlich kann jede der beiden
Oberflächen
des Formteils mit einer Dekorschicht versehen werden.
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In 7a und 7b ist im Detail dargestellt, welche
Möglichkeiten
für die
Anordnung einer Einspritzvorrichtung bestehen, welche ein Dekormaterial
auf eine Kombination von Verbundmaterial 4 mit einem thermoplastischen
Kunststoffmaterial 6 aufspritzt Dabei ist dargestellt,
dass die in der Zeichnung linksseitig dargestellte Einspritzvorrichtung
in einen flächenartigen
Hohlraum, den Einspritzraum 42 einspritzt, welcher sich über dem
thermoplastischen Kunststoffmaterial erstreckt.
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In 7a wird der letzte Schritt
zur Herstellung eines Bauteils aus mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach dem Ausführungsbeispiel
in 6a bis 6d dargestellt.
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In 7b ist dargestellt, wie
das Dekormaterial 50 den zur Verfügung stehenden Querschnitt
ausfüllt.
Dazu ist die in 7a im
Schnitt dargestellte Pressform in einer Ansicht von oben dargestellt.
Die Positivform 39 wurde weggelassen, sodass man direkt
auf das verpresste Verbundmaterial 4 und das thermoplastische
Kunststoffmaterial 6 sieht. Um eine gleichmäßige Verteilung
des Dekormaterials 50 auf der Oberfläche des Verbundmaterials 4 und
des thermoplastischen Kunststoffmaterials 6 zu erreichen, wird
der Hochdruckstempel um 0,5 bis 2 mm gegenüber seiner Endposition nach 6d angehoben, dass das Dekormaterial
unter Druck die gesamte Oberfläche
des Formteils ausfüllt.
Durch den Druck von bis zu 250 bar dringt das Dekormaterial in die mittels
eines Vlieses oder dergleichen behaftete Oberfläche des thermoplastischen Kunststoffmaterials 4 und
des Verbundmaterials 4 ein und haftet so mit demselben.
Das Vlies kann auch anstatt der elastischen Schicht 40 vorgesehen
sein oder selbst die elastische Schicht ausbilden. Dann wird das
Vlies nicht in einem Zwischenhub entnommen, sondern verbleibt während des
gesamten Pressvorgangs auf der Oberfläche. Da das thermoplastische
Kunststoffmaterial 6 fließfähig wird, hat es sich bereits
zumindest teilweise in die Struktur des Vlieses eingelagert, sodass
die Position des Vlieses auf der Oberfläche des Formteils fixiert ist.
Durch die Verwendung des Vlieses 40 und eventuell darauf
angebrachter Haftvermittler haftet die Dekorschicht 50 sowohl
auf dem thermoplastischen Kunststoffmaterial wie auch auf dem Verbundmaterial.
-
8a und 8b zeigen die Möglichkeit einer Anbringung
von Verbindungselementen oder Halteelementen aus fließfähigem thermoplastischen Kunststoff 6 in
bestimmten Abschnitten. Der thermoplastische Kunststoff kann wiederum
aus einem Wulstmaterial oder Strang bestehen, in welchem ein druckmittelgefüllter Hohlraum 43 angebracht
ist.
-
Das
thermoplastische Kunststoffmaterial 6 und das Verbundmaterial 4 sind
auf einer Oberfläche von
einer Dekorschicht 50 aus Dekormaterial bedeckt, welche
mittels einem der vorhergehenden Einspritzanordnungen hergestellt
wurde.
-
- 1
- Form
- 2
- Hochdruckstempel
- 3
- Niederdruckstempel
- 4
- Verbundmaterial
- 5
- Pressform
- 6
- thermoplastisches
Kunststoffmaterial
- 7
- Federelement
- 8
- Vorsprung
- 9
- Nut
- 10
- Ummantelung
- 11
- Verbindungselement
- 12
- fließfähige Schicht
- 13
- Metallaufsatz
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Verbindungsleiste
- 16
- Kernschicht
- 17
- Verstärkungsschicht
- 18
- Verstärkungsschicht
- 19
- Dekorschicht
(Film oder Lack)
- 20
- Strukturdekorschicht
(Stoff, Filz)
- 21
- Gewebe
- 22
- Fasermaterial
oder anderes Beschichtungsmaterial
- 23
- Fließfähiges Verbindungsmaterial
- 24
- Negativform
- 25
- Positivform
- 26
- Endabschnitt
- 27
- Auflagefläche in der
Positivform
- 28
- Aufnahmebereich
in der Negativform
- 29
- Formwand
- 30
- Rand
des Verbundmaterials
- 31
- Bereich
des Verbundmaterials unter Vorsprung
- 32
- Randbereich
der Deck- oder Mantelschicht
- 33
- Auflagefläche
- 34
- Schräge Seitenfläche
- 35
- zentrale
Auflage
- 36
- Wandabschnitt
- 37
- Auflagefläche Negativform
- 38
- Negativform
- 39
- Positivform
- 40
- elastische
Schicht
- 41
- Spannvorrichtung
- 42
- Einspritztaum
- 43
- Hohlraum
- 44
- Zuleitung
- 45
- Stichvorrichtung
- 46
- Dichtelement
- 47
- Öffnung
- 48
- Bereich
vergrößerten Querschnitts
- 49
- Einspritzvorrichtung
- 50
- Dekormaterial