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DE10112635A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwich-Material und dadurch hergestellte Artikel - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwich-Material und dadurch hergestellte Artikel

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Publication number
DE10112635A1
DE10112635A1 DE10112635A DE10112635A DE10112635A1 DE 10112635 A1 DE10112635 A1 DE 10112635A1 DE 10112635 A DE10112635 A DE 10112635A DE 10112635 A DE10112635 A DE 10112635A DE 10112635 A1 DE10112635 A1 DE 10112635A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
thermoplastic
die
blank
sandwich
article
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE10112635A
Other languages
English (en)
Inventor
Francis Vendangeot
Emmanuel Boivin
Loic Durual
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Patent Holding Co
Original Assignee
Patent Holding Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Holding Co filed Critical Patent Holding Co
Publication of DE10112635A1 publication Critical patent/DE10112635A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/74—Moulding material on a relatively small portion of the preformed part, e.g. outsert moulding
    • B29C70/76—Moulding on edges or extremities of the preformed part
    • B29C70/766—Moulding on edges or extremities of the preformed part on the end part of a tubular article
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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwich-Material werden vorgestellt, um einen thermoplastischen Sandwich-Artikel mit einem thermoplastischen Innenbereich zu formen. In einem Ausführungsbeispiel kann das thermoplastische Material ein Verbundmaterial sein und der Artikel ein tiefgezogener Artikel. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen das Verfahren und die Vorrichtung ein Gesenk mit einem den Artikel definierenden Hohlraum, der durch die Innenflächen des Gesenks definiert wird, und einen Außenstempel zum Eindrücken eines inneren Bereiches des Rohlings des thermoplastischen Materials mit einem zellförmigen Kern und einer vorbestimmten Menge aus thermoplastischem Verbundmaterial, das auf dem Rohling plaziert ist, in das Gesenk entlang einer im Wesentlichen vertikalen Achse und gegen die Innenflächen des Gesenks, um tiefgezogenes Sandwich-Material zu erhalten. In einem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem der geformte Artikel nicht tiefgezogen ist, wird ein Außenstempel nicht benötigt. Eine Pressvorrichtung zum Zerdrücken eines Randkantenbereiches des tiefgezogenen Sandwich-Materials wird bereitgestellt, das vollständig um das thermoplastische Verbundmaterial geformt ist. Ein Innenstempel drückt das thermoplastische Verbundmaterial und das tiefgezogene Sandwich-Material innerhalb des Randkantenbereiches bei einer Temperatur und einem Druck zusammen, die ausreichen, dass die Materialien ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Zusammenformen thermoplastischer Materialien wie thermoplasti­ sche Verbundmaterialien mit thermoplastischen Sandwich-Mate­ rialien und dadurch hergestellte Artikel.
HINTERGRUNDWISSEN Herstellung von thermoplastischen Sandwich-Materialien (TSM)
Das europäische Patent EP 0 649 736 B1 beschreibt den Grundsatz des Formens von im Wesentlichen flachen Teilen aus thermoplastischem Sandwich-Material (TSM). Das Teil wird in einem einzelnen Schritt durch Pressen in einer kalten Form bei einem Druck in dem Bereich von 10 bis 30 bar hergestellt, wobei ein Stapel wenigstens eine erste obere Außenschicht aus einem pressbaren, verstärkten thermoplastischen Material, einen zellförmigen oder wabenförmigen Kern aus thermoplasti­ schem Material und eine zweite untere Außenschicht aus einem pressbaren verstärkten thermoplastischen Material umfasst. Die Achsen der Zellen des zellförmigen Kerns sind im Allgemeinen rechtwinklig zu den Außenschichten ausgerichtet. Die Außen­ schichten und der Kern werden zunächst außerhalb der Form auf Erweichungstemperatur erhitzt.
Wie in der französischen Patentanmeldung 9 706 666 beschrieben, ist es möglich, eine Befestigung oder Fixierung mit einem Loch durch Durchstechen des thermoplastischen Sandwich-Materials in der Form mit einem scharfen Werkzeug herzustellen.
Wie in dem französischen Patent Nr. 2 751 914 beschrieben, ist es möglich, die radiale Festigkeit einer Befestigung in solch einem TSM-Teil durch vollständiges Zerdrücken der mittigen Wabe zu verstärken.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 903 216 A2 offenbart ein Überformen eines Stahleinsatzes mit Haken, die in dem thermoplastischen Sandwich-Material verankert sind, um die Last an dem Einsatz zu verteilen.
Nachteile des Stahleinsatzes mit Haken
  • - Die Ergebnisse sind sehr gut für Scherfestigkeit der Befestigung oder des Einsatzes, wenn die Außenflächen gewebte Fasern nutzen, jedoch sind die Ergebnisse schlecht, wenn die Außenflächen nichtgewebte Fasern nutzen;
  • - es ist notwendig, in ein zusätzliches Werkzeug zu investieren, um den Stahleinsatz zu pressen;
  • - es ist notwendig, den Stahleinsatz zu behandeln, um Korrosion zu vermeiden; und
  • - das Teil ist wegen des Durchgangslochs und wegen der Haken, die Löcher in den Flächen erzeugen, nicht mehr dicht.
In dem Fall von Befestigungen oder Einsätzen, die keine Durch­ gangslöcher beinhalten, ist es möglich, solche Einsätze in untergeordneten Arbeitsvorgängen hinzuzufügen:
  • - Vibrationsschweißen, Wärmeschweißen und Ultraschall­ schweißen kann eingesetzt werden, die Einsätze zu schweißen, die aus dem gleichen Thermoplast wie die Außenflächen hergestellt sind;
  • - Halter können eingesetzt werden in einer Form, die in dem Sandwich-Teil hergestellt wird;
  • - Semistrukturiertes Kleben mit geringer mechanischer Festigkeit, wenn die Oberfläche nicht für eine gute Verbindung vorbereitet ist;
  • - Strukturiertes Anhaften, um ein Sandwich-Teil mit einem anderen Teil zu verbinden; in diesem Fall muss eine Außenfläche des Sandwich-Teils sowie die Fläche des anderen Teils mit einem Klebeverstärker behandelt werden, um die Klebwirkung zwischen den beiden Teilen zu verbessern; und
  • - mechanisches Befestigen mit Einsätzen wie Nieten.
Diese Vorgänge führen aufgrund der zusätzlichen Arbeit und Maschinen zu zusätzlichen Kosten.
Des Weiteren ist die Recycelbarkeit des Teils nicht so gut, wenn andere Materialien wie die Einsätze eingesetzt werden.
Zusammenfassend und ohne die vorliegende Erfindung gibt es daher keine Lösung, ein TSM-Teil mit einem anderen Teil un­ mittelbar während des Formprozesses und ohne Bohren eines Loches in einem vorgelagerten Schritt zu integrieren, wenn hohe Lasten an das resultierende Teil angelegt werden sollen.
Entwickelte Lösungen für Sandwich-Paneele, die in der Luftfahrt, Zügen und anderen Industrien verwendet werden
Die Hexcel Company hat eine Vielzahl von Möglichkeiten entwickelt, Befestigungen an deren Verbundpaneele mechanisch zu befestigen. Jedoch sind diese Verfahren zeitintensiv und teuer.
Formen eines thermoplastischen Verbundmaterials wie beispiels­ weise GMT- (Fliessfähige PP-Glasmatte) Material und thermopla­ stisches Sandwichmaterial
Die Technik des Formens von GMT-Materialen (Glasfasermatten- Thermoplaste) verwendet ein Thermoplast (Polypropylen wird bevorzugt) und Glasfasermatten gerade als Sandwich-Materia­ lien, jedoch erfolgt der Formprozess des GMT bei einem ver­ gleichsweise hohen Druck (d. h. Drücke von 100 bis 200 bar (107 N - 2 × 107 N)), wobei thermoplastische Sandwich-Materialien einen Druck verwenden, der 10 bis 20 mal kleiner ist (d. h. 10 bis 20 bar (106 N bis 2 × 106 N)).
Der GMT-Prozess ist ein Fliessdruckprozess, wobei das GMT- Material unter Druck in die Form fliesst und die Herstellung von Teilen mit einer Dicke von 2 mm und mit der möglichen Integration der folgenden Merkmale erlaubt:
  • - Rippen können geformt werden, um die Steifheit zu verbessern; und
  • - Einsätze können überformt werden.
Die Technik zum Formen von thermoplastischem Sandwich-Material kann eingesetzt werden, um mit einem niedrigen Druck von 10 bis 20 bar halbstrukturierte oder strukturierte Teile, mögli­ cherweise mit einem 3D-Tiefziehen, zu formen, wobei eine kon­ stante Dicke, wie in der oben vermerkten mit-angemeldeten US- Anmeldung beschrieben, beigehalten wird. Wird eine konstante Dicke eingehalten, ist das Verhältnis Steifheit zu Gewicht des Materials im Vergleich zu GMT sehr hoch.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwichmaterial und dadurch hergestellte Artikel bereitzustellen, wobei der Be­ reich des Artikels aus thermoplastischem Material dem Artikel ermöglicht, einfach an einem anderen Artikel wie beispiels­ weise ein Fahrzeugkörper befestigt zu werden.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermo­ plastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwich- Material und dadurch hergestellte Artikel bereitzustellen, wobei das thermoplastische Sandwich-Material während des Form­ prozesses in dem thermoplastischen Material oder mit dem ther­ moplastischen Material verschmolzen wird, so dass der Artikel hohen Lasten standhalten kann.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenformen eines ther­ moplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sandwich- Material und dadurch hergestellte Artikel bereitzustellen, wobei der Artikel vollständig die Vorteile der Eigenschaften der zwei Materialien nutzt.
In Erfüllung der obigen Ziele und anderer Ziele der vorliegen­ den Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermoplastischen Sand­ wich-Material bereitgestellt, um einen thermoplastischen Sand­ wich-Artikel mit einem inneren thermoplastischen Bereich zu formen. Das Verfahren umfasst ein Positionieren eines Rohlings aus thermoplastischem Sandwich-Material mit einem zellförmigen Kern über einem Gesenk mit einem den Artikel definierenden Hohlraum, der durch Innenflächen des Gesenks definiert wird. Das Verfahren umfasst auch ein Plazieren einer vorbestimmten Menge von thermoplastischem Material auf dem Rohling des ther­ moplastischen Sandwich-Materials. Ein innerer Bereich des Rohlings wird in das Gesenk entlang einer im Wesentlichen vertikalen Achse und gegen die Innenflächen des Gesenks ge­ drückt. Ein Randkantenbereich des Sandwich-Materials wird um das thermoplastische Material herum zerdrückt. Das thermopla­ stische Material und das Sandwich-Material werden innerhalb des Randkantenbereichs zusammengedrückt mit einer Temperatur und einem Druck, die ausreichen, die beiden Materialien zu verschmelzen, um einen inneren thermoplastischen Bereich des Sandwich-Materials zu formen. Das Verfahren umfasst des Weite­ ren ein Herausnehmen des Sandwich-Materials mit dem inneren thermoplastischen Bereich aus dem Gesenk und ein Entfernen von überschüssigem Material am Rand des Sandwich-Materials, um den Artikel zu formen.
In einem Ausführungsbeispiel führt der Schritt des Eindrückens zu einem tiefgezogenen Sandwich-Material. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird wenigstens ein äußerer Bereich des Rohlings in unmittelbarer Nähe zum Gesenk festgeklemmt, um den wenig­ stens einen äußeren Bereich des Rohlings zu leiten, in den den Artikel definierenden Hohlraum mit einem spitzen Winkel be­ züglich der vertikalen Achse während des Schritts des Ein­ drückens zu gleiten, so dass die Dicke wenigstens einer Sei­ tenwand des tiefgezogenen Sandwich-Materials im Wesentlichen der Dicke des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materi­ als entspricht und dass das tiefgezogene Sandwich-Material nicht in hohem Maße während des Schritts des Eindrückens sich dehnt oder zerrt. Der resultierende Artikel ist ein tiefgezo­ gener Artikel.
Eine vorbestimmte Menge von thermoplastischem Material kann ein Rohling aus thermoplastischem Material, ein Spritzguss aus thermoplastischem Material oder eine Einspritzung aus thermo­ plastischem Material sein.
Der Schritt des Eindrückens des inneren Bereichs kann den Schritt des Pressens umfassen.
Der Schritt des Festklemmens kann mit einer Haltekraft ausge­ führt werden, welche während des Schritts des Eindrückens des inneren Bereichs ansteigt.
Der Schritt des Festklemmens kann an einer Mehrzahl von be­ abstandeten äußeren Bereichen des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks ausgeführt werden.
Der Schritt des Eindrückens des inneren Bereichs wird vorzugs­ weise in einem einzelnen Pressschritt ausgeführt.
Das Verfahren umfasst des Weiteren einen Schritt des Plazie­ rens einer Schraube oder Stiftschraube innerhalb des den Arti­ kel definierenden Hohlraums, so dass das thermoplastische Material die Schraube oder Stiftschraube überformt.
Des Weiteren wird in Erfüllung der obigen Ziele und anderer Ziele der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Zusam­ menformen eines thermoplastischen Materials mit einem thermo­ plastischen Sandwich-Material bereitgestellt, um einen thermo­ plastischen Sandwich-Artikel mit einem inneren thermoplasti­ schen Bereich zu formen. Die Vorrichtung umfasst ein Gesenk mit einem den Artikel definierenden Hohlraum, der durch Innen­ flächen des Gesenks definiert wird. Eine Pressvorrichtung zum Zerdrücken eines Randkantenbereichs des Rohlings des Sandwich- Materials mit einem zellförmigen Kern um eine vorbestimmte Menge aus thermoplastischem Material herum, das auf dem Roh­ ling plaziert ist, wird bereitgestellt. Ein Stempel wird zum Zusammendrücken des thermoplastischen Materials und des Sand­ wich-Materials innerhalb des Randkantenbereiches bei einer Temperatur und einem Druck bereitgestellt, die ausreichend sind, die Materialien miteinander zu verschmelzen, um einen inneren thermoplastischen Bereich des Sandwich-Materials zu formen. Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Außenstempel zum Eindrücken eines inneren Bereichs des Rohlings des thermo­ plastischen Sandwich-Materials und der vorbestimmten auf dem Rohling plazierten Menge des thermoplastischen Materials in das Gesenk entlang einer im Wesentlichen vertikalen Achse und gegen die Innenflächen des Gesenks umfassen, um tiefgezogenes Sandwich-Material zu erhalten.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Klemmvorrichtung zum Festhalten wenigstens eines äußeren Bereichs des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks umfassen, um wenigstens einen äußeren Bereich des Rohlings zu leiten, in den den Artikel definierenden Hohlraum mit einem spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse während des Eindrückens des inneren Bereichs des Rohlings in das Gesenk zu gleiten, so dass die Dicke we­ nigstens einer Seitenwand des tiefgezogenen Sandwich-Materials im Wesentlichen der Dicke des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materials entspricht und so dass das tiefgezogene Sandwich-Material nicht in hohem Maße sich dehnt oder zerrt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
Eine Stempelpresse kann zum Eindrücken des Außenstempels in das Gesenk vorgesehen sein.
Eine hydraulische Hebevorrichtung zum Eindrücken des Stempels in das Gesenk kann vorgesehen sein.
Das thermoplastische Material kann ein thermoplastisches Ver­ bundmaterial sein.
Die vorbestimmte Menge des thermoplastischen Materials kann ein Rohling aus thermoplastischem Verbundmaterial sein.
Ein Extruder kann zum Spritzgießen der vorbestimmten Menge des thermoplastischen Materials vorgesehen sein.
Ein Injektor zum Einspritzen der vorbestimmten Menge des ther­ moplastischen Materials kann vorgesehen sein.
Die Klemmvorrichtung kann federbeaufschlagt sein, so dass die Klemmvorrichtung eine Haltekraft auf wenigstens einen äußeren Bereich des Rohlings ausübt, wobei die Haltekraft ansteigt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
Vorzugsweise umfasst die Klemmvorrichtung eine Klemmbaugruppe, die angebracht ist, mit dem Stempel sich zu bewegen und die wenigstens eine Feder aufweist, welche sich zusammendrückt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
Die Klemmvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Klemmbaugruppe und eine Gegenklemmbaugruppe zum Festklemmen einer Mehrzahl von beabstandeten äußeren Bereichen des Rohlings in unmittel­ barer Nähe des Gesenks, so dass ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen der Klemmbaugruppe und der Gegenklemmbaugrup­ pe eingehalten wird, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird. Beide der Baugruppen umfassen typi­ scherweise eine Mehrzahl von länglichen Klemmflächen zum Fest­ klemmen der Mehrzahl der beabstandeten äußeren Bereiche des Rohlings. Jede längliche Klemmfläche ist mit einem spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse geneigt.
Die Innenflächen des Gesenks können eine Mehrzahl von Ecken definieren, welche mit Räumen zwischen der Mehrzahl der be­ abstandeten äußeren Bereiche korrespondieren. Die Räume sind so bemessen, zu ermöglichen, dass das thermoplastische Sand­ wich-Material des Rohlings sich darin bewegen kann, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
Vorzugsweise umschliesst sowohl beim Verfahren als auch bei der Vorrichtung der Randkantenbereich des Sandwich-Materials vollständig das thermoplastische Material.
Das Zusammenformen eines thermoplastischen Verbundmaterials wie beispielsweise GMT und eines thermoplastischen Sandwich- Materials vereint die Vorteile des Sandwich-Materials (Steif­ heit zu Gewichtsverhältnis, geringer Prozessdruck) und des GMT (Fliessprozess zum Formen komplexer Formen wie beispielsweise Rippen, aber auch die Möglichkeit, ein Teil ohne überschüssi­ ges Material zu formen, wo die Ecken des Teils durch Giessen geformt werden).
Die obigen Ziele und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind einfach der folgenden detaillier­ ten Beschreibung der besten Weise zur Durchführung der Erfin­ dung zu entnehmen, wenn diese in Verbindung mit den beiliegen­ den Zeichnungen aufgenommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer äußeren Form für thermoplastisches Sandwich-Material (TSM) in geöffneter Stel­ lung mit einer Innenform für ein Glasfasermatten-Thermoplast (GMT) und zeigt eine Schneidkante, einen hydraulischen Zylin­ der oder Hebevorrichtung und eine Stahlbuchse des Stempels der inneren Form und eine Stahlplatte des Gesenks der inneren Form;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der inneren und äußeren Form der Fig. 1 in der geschlossenen Stellung der äußeren Form und umfasst weiter einen Halt der äußeren Form;
Fig. 3 ist eine perspektivische Draufsicht des Stempels der inneren Form in Kontakt mit dem Gesenk der inneren Form und zeigt die Stahlbuchse und den hydraulischen Zylinder;
Fig. 4 ist eine perspektivische Bodenansicht des Stempels der inneren Form, die vollständig in den Stempel der äußeren Form eingefahren ist und zeigt die Schneidkante der Stahlbuchse, die eingesetzt wird, das TSM auszupressen und die Steifigkeit der inneren Form sicherzustellen;
Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht der Stahlplatte, die das Gesenk der inneren Form bildet und welche zentral inner­ halb des Gesenks der äußeren Form angeordnet ist;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht, teilweise weggebrochen und im Querschnitt, der inneren und äußeren Form der Fig. 1 mit dem Stempel der inneren Form in einer ausgefahrenen Stellung; und
Fig. 7 ist eine perspektivische Draufsicht einer zusammenge­ formten Wanne, die durch das Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
BESTE ART ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Nun Bezug nehmend auf die gezeichneten Figuren wird in Fig. 1 und 2 eine Vorrichtung veranschaulicht, im Allgemeinen mit 10 bezeichnet, zum Verbinden eines thermoplastischen Verbundmate­ rials (TCM) wie beispielsweise GMT mit einem thermoplastischen Sandwich-Material (TSM), um einen Artikel zu formen oder her­ zustellen. Es sei jedoch erwähnt, dass das thermoplastische Material nicht ein Verbundmaterial sein muss.
Das besondere Problem, was gelöst wurde, wird veranschaulicht durch das Problem, wie ein GMT-Einsatz in einem Sandwich-Teil (wie beispielsweise eine Ersatzradwanne) befestigt wird, das eine Kraft von 3.000 N in drei Richtungen aushalten kann, so dass das Ersatzrad an der Wanne am Einsatz befestigt werden kann. Folglich ist es erwünscht, ein Verfahren und eine Vor­ richtung der vorliegenden Erfindung zum Verbinden eines GMT- Einsatzes mit einer Sandwich-Wanne zur Verfügung zu haben, so dass ein Ersatzrad innerhalb der Wanne am Einsatz befestigt werden kann.
Während die vorliegende Erfindung mit Hinweis auf die oben erwähnte Anmeldung beschrieben wird, soll auch deutlich gewor­ den sein, dass die vorliegende Erfindung ohne Verwendung der Vorrichtung der obigen Anmeldung, die eingesetzt wird, Kunst­ stoffartikel tief zu ziehen, d. h., ohne Außenstempel und Klemmvorrichtung, ausgeübt werden kann.
Die Form
Stempel und Gesenk der oben erwähnten US-Patentanmeldung kön­ nen mit einer Stahlinnenform einschließlich von Stempel- und Gesenkteilen, die an ihren mittigen Bereichen hinzugefügt werden, verändert werden, um mit hohem Druck ein mit GMT über­ geformtes Teil zu formen. Die Vorrichtung der oben erwähnten Anmeldung wird im Folgenden beschrieben.
Im Allgemeinen handelt die Erfindung von der Entwicklung eines neuen Zusammenformverfahrens oder -vorrichtung, um thermopla­ stische Sandwich-Teile oder Artikel herzustellen, die einen Innenbereich aus einem thermoplastischen Verbund aufweisen, der aus einem Thermoplast wie beispielsweise Glasfasermatten- Thermoplast (GMT) oder einem spritzgegossenen oder gespritzten thermoplastischen Rohlingverbund hergestellt wurde. Das Sand­ wich-Material ist aus zwei verstärkten thermoplastischen Au­ ßenschichten mit einem Zellkern in der Mitte hergestellt und wird durch ein Thermokompressionsverfahren geformt, das all­ gemein im US-Patent Nr. 5,683,782 beschrieben wird. Die Schichten können aus Polypropylen mit zusammenhängenden Glas­ fasermatten oder gewebten Glasfasern mit Polypropylen-Fasern sein. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Er­ findung erlaubt es, thermoplastische Sandwich-Teile mit oder ohne einem Tiefziehen und mit Kosten und Herstellzeiten zu formen, die für Automobil- oder andere Hochstückzahlanwendun­ gen eingesetzt werden können.
In Fig. 1 wird eine Vorrichtung gezeigt, die im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, zum Herstellen eines tiefgezogenen thermoplastischen Sandwich-Artikels wie beispielsweise eine Wanne, die allgemein in Fig. 7 mit 12 bezeichnet wird. Die Vorrichtung umfasst ein Gesenk, allgemein mit 14 bezeichnet, mit einem den Artikel definierenden Hohlraum 16, der durch die Innenflächen 18 des Gesenks 14 definiert wird. Das Gesenk ist auf einem unteren Grundbauteil 32 der Presse angeordnet.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren einen allgemein mit 20 bezeichneten Außenstempel, der an einem bewegbaren Teil 30 der Presse zum Eindrücken eines inneren Bereichs des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materials mit einem Zellkern in das Gesenk 14 entlang einer im Wesentlichen vertikalen Achse 22 und gegen die Innenflächen 18 des Gesenks 14 angeordnet ist, um tiefgezogenes Material zu erhalten. Die Stempelpresse ein­ schließlich des oberen bewegbaren Teils 30 drückt den Stempel 20 in das Gesenk 14, das durch das untere Grundbauteil 32 der Stempelpresse gestützt wird.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine im Allgemeinen mit 24 bezeichnete Klemmvorrichtung zum Halten wenigstens eines äußeren Bereichs des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks 14, um wenigstens einen äußeren Bereich des Rohlings zu leiten, in den den Artikel definierenden Hohlraum 16 mit einem bestimmten Winkel bezüglich der vertikalen Achse 22 während des Eindrückens des inneren Bereichs des Rohlings in das Gesenk 14 zu gleiten, so dass die Dicke wenigstens einer Seitenwand 25 des tiefgezogenen Materials im Wesentlichen der Dicke des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materials (wie in Fig. 7 gezeigt) entspricht und so dass das tiefgezoge­ ne Material nicht in hohem Maße sich dehnt oder zerrt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk 14 gedrückt wird. Die Klemmvorrichtung 24 drückt den Rohling des Materials nur leicht zusammen, so dass sie den Rohling während des Pres­ sens nicht dehnt oder zerrt.
Die Klemmvorrichtung 24 ist vorzugsweise federbeaufschlagt durch Federn 36, so dass die Klemmvorrichtung 24 eine Halte­ kraft an einer Mehrzahl von beabstandeten äußeren Bereichen des Rohlings ausübt. Die Haltekraft 24 steigt an, wenn der innere Bereich des Rohlings durch den Stempel 20 in das Gesenk 14 gedrückt wird.
Die Klemmvorrichtung 24 umfasst eine im Allgemeinen mit 34 bezeichnete Klemmbaugruppe, die auf dem Teil 30 befestigt ist, um mit dem Stempel 20 sich zu bewegen. Die Klemmbaugruppe 34 umfasst eine in Fig. 2 im Allgemeinen mit 35 bezeichnete Klam­ mer, die durch Stangen 38 unterstützt wird, die verschiebbar in dem Teil 30 befestigt sind. Die Klemmbaugruppe 34 umfasst des Weiteren die Federn 36, die um deren entsprechenden Stan­ gen 38 angeordnet sind. Die Federn 36 drücken sich zusammen, wenn der innere Bereich des Rohlings durch Bewegung des Stem­ pels 20 in den den Artikel definierenden Hohlraum 18 des Ge­ senks 14 gedrückt wird. Gleichzeitig schieben sich die Stangen 38 in den oberen bewegbaren Teil 30.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, umfasst die Klammer 35 eine Mehrzahl von beabstandeten keilförmigen länglichen Blöcken 40, die an einem Rahmenbauteil 41 der Klammer 35 angeord­ net sind. Jeder der Blöcke 40 umfasst eine geneigte Klemm­ fläche 42, welche mit einer oberen Fläche des Rohlings des Materials während des Tiefzieh-Prozesses in Eingriff steht. Eine Haltevorrichtung 48 (gezeigt in Fig. 2) wird an dem Rah­ menbauteil 41 angebracht, um die Dicke des resultierenden Artikels zu steuern.
Die Klemmvorrichtung 24 umfasst des Weiteren eine Gegenklemm­ baugruppe, die allgemein mit 50 bezeichnet wird, die zusammen mit der Klemmbaugruppe 34 den Rohling an einer Mehrzahl von beabstandeten äußeren Bereichen in unmittelbarer Nähe des Gesenks 14 hält. Ein im Wesentlichen konstanter Abstand, wie in Fig. 2 dargestellt, wird zwischen der Klemmbaugruppe 34 und der Gegenklemmbaugruppe 50 eingehalten, wenn der innere Be­ reich des Rohlings in das Gesenk 14 gedrückt wird.
Die Gegenklemmbaugruppe 50 umfasst auch eine Mehrzahl von beabstandeten keilförmigen Blöcken 52, die an der oberen Flä­ che 54 des Gesenks 14 befestigt sind. Jeder der Blöcke 52 umfasst eine längliche Klemmfläche 56 zum Klemmen der Mehrzahl der beabstandeten äußeren Bereiche des Rohlings gegen die Fläche 42 der Blöcke 40. Alle der länglichen Klemmflächen 42 und 45 sind mit einem gleichen spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse 22 geneigt.
Die Seiten- und Bodenflächen 18 des Gesenks 14 definieren eine Mehrzahl von unteren Ecken, welche korrespondieren oder ausge­ richtet sind mit Räumen zwischen der Mehrzahl der beabstande­ ten äußeren Bereiche des Rohlings und Räumen zwischen den Blöcken 40 der Klammer 35, am Besten zu erkennen in der oben erwähnten US-Patentanmeldung. Die Räume korrespondieren auch zu Räumen zwischen den Blöcken 52 der Gegenklemmbaugruppe 50 und sind so bemessen, dem thermoplastischen Sandwich-Material des Rohlings zu ermöglichen, sich darin zu bewegen, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk 14 gedrückt wird.
Die Blöcke 52 der Gegenklemmbaugruppe 50 weisen auch obere Unterstützungsflächen 64 zum Stützen eines erwärmten Rohling­ materials auf, da es vor dem Pressen noch vergleichsweise weich ist.
Die zwei unterschiedlichen Typen der zuvor erwähnten Schichten führen zu unterschiedlichen Deformationen des tiefgezogenen Materials, die nicht Teil des wie in Fig. 7 dargestellten resultierenden Artikels sind und müssen beispielsweise durch Schneiden abgetrennt werden.
Das Gesenk 14 kann durch eine Stahlplatte 70 (Fig. 5) ver­ stärkt werden, welche dann ein Innengesenk definiert und wel­ che eine Dicke von ungefähr 30 mm aufweist. Der Innenstempel umfasst eine Stahlbuchse 72, einen hydraulischen Dämpfer oder eine hydraulische Hebevorrichtung 74 und eine Schneidkante 76, welche in das Innengesenk eintaucht. Eine Metallschraube oder eine andere Verbindung wie beispielsweise eine Stiftschraube (nicht gezeigt) kann durch den Innenbereich des Innengesenks gehalten werden und wird durch GMT überzogen. Wenn die Außen­ form offen ist, befindet sich die GMT (d. h. Innen-) Gesenk­ form in der Schneidkante 76.
Zunächst werden der TSM- und GMT-Rohling in einem Ofen auf ca. 200 Grad erwärmt. Nachdem der erwärmte TSM-Rohling auf das Gesenk 14 gelegt wird, wird der erhitzte GMT-Rohling auf den TSM-Rohling gelegt. Die Außenform wird geschlossen und die TSM-Wanne der Fig. 7 wird ausgebildet. Der GMT-Bereich liegt aufgrund des Auspressens des TSM im Bereich des Randes des GMT-Teiles fest an. Der hydraulische Zylinder 74 wird betä­ tigt, um den GMT-Rohling zu pressen und zu bewirken, dass bei einem Druck von 100 bar dieser flüssig wird. Das GMT drückt das TSM zusammen. Während der Phase des Zusammendrückens schmelzen das GMT und das TSM zusammen und bilden den thermo­ plastischen Verbundinnenbereich 78 (Fig. 7) des resultierenden Artikels oder des resultierenden Teiles.
Als eine Alternative zu GMT ist es möglich, einen extrudierten thermoplastischen Massenformverbund (TPBMC) aus PP und gekürz­ ten Glasfasern zu verwenden. Anstelle des Erwärmens des Roh­ lings aus GMT wird das TPBMC warm in den TSM-Rohling durch einen Extruder gespritzt und die Presse wird geschlossen. Der Rest des Prozesses ist der gleiche. Des Weiteren ist es auch möglich, das TPBMC mit einer Düse auf den Sandwich-Rohling zu spritzen, wenn die Form geschlossen ist. Ein Herstellwerkzeug oder die Außenform sollte vorzugsweise auf 100% Stahl sein. Der Grundsatz einer Hochdruckinnenform innerhalb einer Nied­ rigdruckaußenform sollte der gleiche sein wie oben beschrie­ ben.
Die Standfestigkeit des GMT-Innenbereiches oder Einsatzes 78 im Vergleich zum Vibrationsschweissen eines GMT-Einsatzes während eines zweiten Vorgangs ist getestet worden. Für zu­ sammengeformte GMT-TSM beträgt die Standfestigkeit der GMT- Befestigung oder des GMT-Einsatzes 78 4.080 N und die Befesti­ gung 78 bricht in dem GMT-Teil und nicht an der Schnittfläche zwischen dem GMT und dem TSM.
Wenn die gleiche GMT-Befestigung oder der gleiche GMT-Einsatz separat geformt wird und an dem TSM-Teil durch Vibrations­ schweissen befestigt wird, beträgt die Standfestigkeit der Befestigung unter den gleichen Bedingungen 2.060 N und die Befestigung bricht an der Schnittfläche zwischen dem TSM und dem GMT. Daher ist die co-geformte GMT-Befestigung oder der co-geformte GMT-Einsatz 78 standfester als der vibrations­ geschweisste.
Die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegen­ den Erfindung sind:
  • - Ein zusammengesetztes TSM- und GMT-Teil kann in der glei­ chen Form in einem Schritt geformt werden; es wird kein kostenintensiver zweiter Verfahrensschritt benötigt und das resultierende Teil ist preisgünstiger.
  • - Nur eine Form wird benötigt: kleinere Investitionssumme.
  • - Die Schnittfläche zwischen dem GMT und dem TSM ist viel besser als die Schnittfläche, die durch einen zweiten Verfahrensschritt wie beispielsweise Schweissen entsteht.
Während die beste Art zur Umsetzung der Erfindung im Detail beschrieben worden ist, werden diejenigen, die mit der Tech­ nik, auf die sich die Erfindung bezieht, die verschiedenen anderen Gestaltungen und Ausführungsbeispiele zur Umsetzung der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert wird, erkennen.

Claims (26)

1. Verfahren zum Zusammenformen eines thermoplastischen Mate­ rials mit einem thermoplastischen Sandwich-Material, um einen thermoplastischen Sandwich-Artikel mit einem thermo­ plastischen Innenbereich zu formen, wobei das Verfahren umfasst:
Positionieren eines Rohlings aus thermoplastischem Sandwich-Material mit einem zellförmigen Kern über einem Gesenk mit einem den Artikel definierenden Hohlraum, der durch Innenflächen des Gesenks definiert wird;
Plazieren einer vorbestimmten Menge von thermoplasti­ schem Material auf den Rohling des thermoplastichen Sand­ wich-Materials;
Eindrücken eines inneren Bereiches des Rohlings in das Gesenk entlang einer im Wesentlichen vertikalen Achse und gegen die Innenflächen des Gesenks;
Zerdrücken eines Randkantenbereichs des Sandwich-Mate­ rials um das thermoplastische Material herum;
Zusammendrücken des thermoplastischen Materials und des Sandwich-Materials innerhalb des Randkantenbereichs bei einer Temperatur und einem Druck, die ausreichen, die Materialen zusammenzuschmelzen, um einen thermoplastischen Innenbereich des Sandwich-Materials zu formen;
Herausnehmen des Sandwich-Materials mit dem thermopla­ stischen Innenbereich aus dem Gesenk; und
Entfernen von überschüssigem Material am Rand des Sandwich-Materials, um den Artikel zu formen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eindrük­ kens ein tiefgezogenes Sandwich-Material hervorbringt und wobei das Verfahren des Weiteren ein Festklemmen wenig­ stens eines äußeren Bereiches des Rohlings in unmittelba­ rer Nähe des Gesenks umfasst, um den wenigstens einen äußeren Bereich des Rohlings zu leiten, in den den Artikel definierenden Hohlraum mit einem spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse während des Schritts des Eindrückens zu gleiten, so dass die Dicke wenigstens einer Seitenwand des tiefgezogenen Sandwich-Materials im Wesentlichen der Dicke des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materi­ als entspricht und so dass das tiefgezogene Sandwich-Mate­ rial nicht in hohem Maße während des Schritts des Ein­ drückens sich dehnt oder zerrt und wobei der Artikel ein tiefgezogener Artikel ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Menge von thermoplastischem Material ein Rohling aus thermopla­ stischem Material ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Menge von thermoplastischem Material ein Spritzguss aus thermo­ plastischem Material ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Menge von thermoplastischem Material eine Einspritzung aus ther­ moplastischem Material ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eindrückens des inneren Bereiches den Schritt des Pressens um­ fasst.
7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Fest­ klemmens mit einer Haltekraft ausgeführt wird, welche während des Schritts des Eindrückens des inneren Bereiches ansteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Fest­ klemmens an einer Mehrzahl von beabstandeten äußeren Be­ reichen des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks ausgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eindrückens des inneren Bereiches in einem einzigen Pressvorgang ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den Schritt des Plazierens einer Schraube oder Stiftschraube innerhalb des den Artikel definierenden Hohlraums umfasst, so dass das thermoplastische Material die Schraube oder Stift­ schraube überformt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Randkantenbereich vollständig das thermoplastische Material einschliesst.
12. Vorrichtung zum Zusammenformen eines thermoplastischen Materials mit Einem thermoplastischen Sandwich-Material, um einen thermoplastischen Sandwich-Artikel mit einem thermoplastischen Innenbereich zu formen, wobei die Vor­ richtung umfasst:
ein Gesenk mit einem einen Artikel definierenden Hohl­ raum, der durch die Innenflächen des Gesenks definiert wird;
eine Pressvorrichtung zum Zerdrücken eines Randkan­ tenbereiches des Rohlings des Sandwich-Materials mit einem zellförmigen Kern um eine vorbestimmte Menge aus thermo­ plastischem Material herum, das auf dem Rohling plaziert ist; und
einen Stempel zum Zusammendrücken des thermoplasti­ schen Materials und des Sandwich-Materials innerhalb des Randkantenbereiches bei einer Temperatur und einem Druck, die ausreichen, die Materialien zusammenzuschmelzen, um einen thermoplastischen Innenbereich des Sandwich-Materi­ als zu formen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung des Weiteren umfasst:
einen Außenstempel zum Eindrücken eines inneren Be­ reiches des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Mate­ rials und der vorbestimmten Menge des auf dem Rohling plazierten thermoplastischen Materials in das Gesenk ent­ lang einer im Wesentlichen vertikalen Achse und gegen die Innenflächen des Gesenks, um ein tiefgezogenes Sandwich- Material zu erhalten; und
eine Klemmvorrichtung zum Festklemmen wenigstens eines äußeren Bereiches des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks, um den wenigstens einen äußeren Bereich des Roh­ lings zu leiten, in den den Artikel definierenden Hohlraum mit einem spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse währens des Eindrückens des inneren Bereichs des Rohlings in das Gesenk zu gleiten, so dass die Dicke wenigstens einer Seitenwand des tiefgezogenen Sandwich-Materials im Wesentlichen der Dicke des Rohlings des thermoplastischen Sandwich-Materials entspricht und so dass das tiefgezogene Sandwich-Material sich nicht erheblich dehnt oder zerrt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk ge­ drückt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine Stempelpresse zum Eindrücken des Stempels in das Gesenk umfasst.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine hydraulische Hebevorrichtung zum Eindrücken des Stempels in das Gesenk umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die vorbestimmte Menge des thermoplastischen Materials ein Rohling aus thermopla­ stischem Material ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung des Weiteren einen Extruder zum Spritzgießen der vorbestimmten Menge des thermoplastischen Materials umfasst.
18. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen Injektor zum Einspritzen der vorbestimmten Menge des ther­ moplastischen Materials umfasst.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Klemmvorrichtung federbeaufschlagt ist, so dass die Klemmvorrichtung eine Haltekraft auf wenigstens einen äußeren Bereich des Roh­ lings ausübt, wobei die Haltekraft ansteigt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Klemmvorrichtung eine Klemmbaugruppe umfasst, die angebracht ist, mit dem Stempel sich zu bewegen und die wenigstens eine Feder aufweist, welche sich zusammendrückt, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
21. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Klemmvorrichtung eine Klemmbaugruppe und eine Gegenklemmbaugruppe zum Fest­ halten einer Mehrzahl von beabstandeten äußeren Bereichen des Rohlings in unmittelbarer Nähe des Gesenks umfasst und wobei ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen der Klemmbaugruppe und der Gegenklemmbaugruppe eingehalten wird, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei jede der Baugruppen eine Mehrzahl von länglichen Klemmflächen zum Festklemmen der Mehrzahl der beabstandeten äußeren Bereiche des Roh­ lings umfasst und wobei jede längliche Klemmfläche mit einem spitzen Winkel bezüglich der vertikalen Achse ge­ neigt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Innenflächen des Gesenks eine Mehrzahl von Ecken definiert, welche mit Zwischenräumen zwischen der Mehrzahl der beabstandeten äußeren Bereiche korrespondiert und wobei die Zwischenräu­ me ausgelegt sind, zu ermöglichen, dass sich das thermo­ plastische Sandwich-Material darin bewegen kann, wenn der innere Bereich des Rohlings in das Gesenk gedrückt wird.
24. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Randkantenbereich vollständig das thermoplastische Material einschliesst.
25. Artikel, der durch die Schritte des Verfahrens nach An­ spruch 1 geformt ist.
26. Ein tiefgezogener Artikel, der durch die Schritte des Verfahrens von Anspruch 2 geformt ist.
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