DE102008009438A1

DE102008009438A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Formteilen mit veredelter Sichtfläche aus Faserverbundkunststoffen

Info

Publication number: DE102008009438A1
Application number: DE102008009438A
Authority: DE
Inventors: Andreas Mattke
Original assignee: MX COMPOSYS Ltd
Current assignee: MX COMPOSYS Ltd
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundkunstoffen (kurz (FVK) mit einer veredelten Oberfläche und auch eine Anlage zum Herstellen von Formteilen aus FVK. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundkunststoffen mit veredelter Sichtfläche, die sichtseitig eine Oberflächenfolie aufweisen, umfasst folgende Verfahrensschritte: - Formen der Oberflächenfolie entsprechend der Topographie des Formteiles, - Aufbringen eines Fasergewebes auf eine der Sichtfläche abgewandten Innenseite der geformten Oberflächenfolie und anschließendes Imprägnieren mit Präpolymerharz, - Formen des Formteiles und Aushärtung, - Entnahme des sichtseitig die Oberflächenfolie aufweisenden Formteiles, dadurch gekennzeichnet, dass - eine zugeschnittene Oberflächenfolie (4) bis zur Erweichungstemperatur erwärmt wird, - die zugeschnittene erwärmte Oberflächenfolie (4) im Formwerkzeug entsprechend der Topographie des herzustellenden Formteiles (16) geformt wird, - ein Fasergewebe und Präpolymerharz im gleichen Formwerkzeug auf die Innenseite der Oberflächenfolie (4) aufgebracht, entsprechend der Topographie des Formteils geformt und ausgehärtet wird und - das fertige Formteil nach Aushärten dem Formwerkzeug entnommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundkunststoffen (kurz FVK) mit einer veredelten Oberfläche.
Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zum Herstellen von Formteilen aus FVK.
Die Erfindung verringert die Schritte zur Herstellung von Formteilen aus FVK und ermöglicht eine Automatisierung.
Formteile aus Faserverbundkunststoffen werden insbesondere dann, wenn sie als Karosserieteile im Automobilbau oder als Verkleidungsteile im Innen- und Außenbereich von Fahrzeugen, aber auch von Transportbehältern und Sportgeräten eingesetzt werden, zur Veredelung und/oder farblichen Gestaltung der Oberflächen lackiert. Das Lackieren ist aber sehr aufwändig, weil die Oberflächen der Kunststoffbauteile für das Lackieren vorbereitet werden müssen. Der Grund liegt in den Herstellungsverfahren, die zu einer unregelmäßigen Oberflächenbeschaffenheit führen.
Ein weiteres Problem ist, dass die Herstellung von Formteilen aus FVK bisher mit hohem manuellem Aufwand verbunden ist. Ein Problem ist die derzeit noch geringe Automatisierungsrate.
Relativ lange Formenbelegungszeiten verursachen bisher eine geringe Ausstoßrate von Formteilen aus FVK je Produktionseinrichtung und Zeiteinheit.
Formteile aus FVK, bei denen das Formteil beispielsweise mit Hilfe des Resin-Transfer-Moulding-Verfahrens (RTM), des Vakuum-Injektions-Verfahrens (VI) oder des Resin-Infusions-Verfahrens (RI) hergestellt wird, werden insbesondere dann, wenn sie als Karosserieteile im Automobilbau oder in anderen automotiven Bereichen, wie dem Motorsport und Motorradbau, eingesetzt werden, zur Veredelung und/oder zur farblichen Gestaltung der Oberflächen lackiert. Das Lackieren ist sehr aufwändig, weil die Oberflächen der Formteile für das Lackieren vorbereitet werden müssen. Der Grund liegt in den Herstellungsverfahren, die zu einer unregelmäßigen Oberflächenbeschaffenheit führen. Die Ursachen für Oberflächenfehler in unveredelten Bauteilen sind beispielsweise Lunker, Löcher, herausstehende Faserenden und chemisch/mechanisch bedingte Veränderungen der Werkzeugoberflächen, die sich auf der Formteiloberfläche abzeichnen. In der Regel ist eine mechanische Oberflächenbearbeitung erforderlich, beispielsweise durch Schleifen oder Spachteln, so dass die erforderliche Oberflächengüte nur mit einem hohen manuellen Aufwand zu erreichen ist. Durch zusätzliches Aufbringen von Oberflächenschichten, beispielsweise harzreichen Vliesschichten oder dem IMC (Inmould-Coating), wird ebenfalls versucht, eine Vergleichmäßigung der Oberfläche zu erreichen.
Aus dem Fachaufsatz von Achim Grefenstein „Folienhinterspritzen statt Lackieren", in Metalloberfläche – Beschichten von Kunststoff und Metall, Heft 10/99, Carl Hanser Verlag, München, ist es bekannt, in der Spritzgusstechnik Folien zur Oberflächenveredelung zu verwenden. Die Folien werden vorgeformt in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt. Anschließend wird die Kavität der Folie in bekannter Weise mit Kunststoff hinterspritzt, um in einem Arbeitsgang die veredelte Oberfläche herzustellen. Mit der Folienhinterspritztechnik sind aber lediglich kleinere Kunststoffbauteile bis zu bestimmten Abmessungen herstellbar. Mit Hilfe der Pressverfahren oder beispielsweise des RTM-Verfahrens können Bauteile in größeren Abmessungen, beispielsweise PKW-Front- oder Heckklappen oder Nutzfahrzeug-Windabweiser, hergestellt werden, die durch ihre Faserverstär kung auch die erforderlichen mechanischen Eigenschaften erfüllen. Allerdings können auch mit diesen Verfahren die für ein Lackieren erforderlichen Oberflächengüten noch nicht erreicht werden.
Bekannt ist ein Verfahren nach DE 103 09 811 A1 , in dem eine bereits die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Beschaffenheit und ggf. der Farbgebung der Oberfläche des Bauteils aufweisende Kunststofffolie, die entsprechend der Topographie der Oberfläche des Bauteils vorgeformt ist, in eine den Bauteilabmessungen entsprechende Form eingelegt wird, dass ein faserverstärkter Kunststoff, vorzugsweise mit einer Duroplast- oder Thermoplastmatrix, mit einem auf die Zusammensetzung des Halbzeugs abgestimmten Verfahren auf die Seite der vorgeformten Folie aufgebracht wird, die nicht die Oberfläche ist, und dass nach dem Aushärten oder Abkühlen des faserverstärkten Kunststoffs das fertige Formteil der Form entnommen wird.
Die Veredelung der Oberfläche des Formteils kann mit dem Folien-Hinterpressen oder dem Folien-Resin-Transfer-Moulding (Folien-RTM) erfolgen. Beim Folienhinterpressen wird eine auf einer separaten Anlage vorgeformte Folie auf eines der formgebenden Werkzeuge einer Presse, in die Matrize oder auf die Patrize, gelegt, der faserverstärkte Kunststoff in Form einer Matte oder eines Plastifikates auf das Gegenstück des Werkzeugs der Presse gelegt und mit einem auf die Zusammensetzung diese Halbzeugs abgestimmten Pressverfahren die vorgeformte Folie mit der Matte oder dem Plastifikat verbunden.
Das Folien-Resin-Transfer-Moulding (Folien-RTM) erfolgt in einer geschlossenen Form, die den geschlossenen Presswerkzeugen, Matrize und Patrize, einer Presse vergleichbar ist. In die Form wird die vorgeformte Folie und unter deren Kavität eine Fasermatte, also nur die Faserverstärkung, eingelegt. Die evakuierte Form wird in bekannter Weise mit einem Gemisch aus Harz und Härter gefüllt, wobei die Matte getränkt und die Kavität unter der Folie ausgefüllt wird. Die Form bleibt solange geschlossen, bis das injizierte Harz ausgehärtet ist. Bei offenen Verfahren wie Handlaminieren oder Vakuumverfahren ist diese Technik ebenfalls denkbar.
Das Verfahren ermöglicht sowohl durch Folien-Hinterpressen als auch durch Folien-Resin-Transfer-Moulding (Folien-RTM) großformatige Formteile mit großen Flächen, beispielsweise Kofferraumabdeckungen oder Türelemente, kostengünstig in einer Oberflächenqualität herzustellen, die dem bekannten Folienhinterspritzen vergleichbar ist. Es können faserverstärkte Kunststoffe und Verarbeitungsverfahren angewendet werden, nach dem sich die erzeugten Oberflächen bisher nur mit dem oben beschriebenen hohen Aufwand veredeln ließen. Die Folien können eingefärbte Schichten oder besonders präparierte Lackschichten enthalten. Als Folien eignen sich insbesondere coextrudierte Zwei- oder Mehrschichtfolien, wie sie auch beim Folienhinterspritzen verwendet werden. Durch die Coextrusion dünner, eingefärbter Kunststoffschichten innerhalb eines Zwei- oder Mehrschichtverbundes können Schichten aufgebaut werden, die Lackschichten vergleichbar sind. Weiterhin können Folien mit einer aufgedampften Metallschicht als Funktionsschicht eingesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht das Veredeln faserverstärkter Kunststoffe, vorzugsweise mit einer Duroplast- oder Thermoplastmatrix, ohne Vorbereitung der Oberfläche und ohne Lackierung in einer wesentlich geringeren Anzahl von Arbeitsschritten als nach den herkömmlichen Verfahren. Für Effektfarben ist ein nachgeschalteter Lackierprozess mit reduziertem Lackieraufwand möglich.
Die oben beschriebenen Verfahren bedingen jedoch alle den vorhergehenden Prozess des Folienumformens in einem separaten Arbeitsgang auf einer separaten Fertigungsanlage inklusive einer notwendigen Gratentfernung und Randbearbeitung der so umgeformten Folie.
Ein ähnliches Verfahren ist in der EP 0 819 516 A2 beschrieben. Dort wird die Oberfläche als Lackfolie bezeichnet und besteht ebenfalls aus einer auf einer separaten Anlage vorgeformten Folie, die beschnitten, transportiert und zwischengelagert werden muss. Diese Vorgänge beeinträchtigen, besonders bei der hier beschriebenen sehr dünnen Folie erheblich deren Qualität. Die beschriebene dünne Folie kann weiterhin bestenfalls die Oberflächenbeschaffenheit von Bauteilen hinsichtlich der Farbgebung verbessern, nicht aber deren mechanische und ggf. chemische Beständigkeit gegen äußere Einflüsse sowie weitere Eigenschaften des Formteils, wie Splitterfestigkeit bei einem Crash. Für die beschriebenen Herstellungsverfahren der faserverstärkten Bauteile, hier insbesondere RTM, LFT, SMC und GMT sind die in EP 0 819 516 A2 beschriebenen Folien aufgrund der geringen Stärke nicht verwendbar, da sie nicht die notwendigen mechanischen und thermischen Beständigkeiten aufbringen, um diesen, zumeist unter Druck und Temperatur stattfindenden Verfahren standzuhalten.
Weiterer Nachteil ist die vor dem Umformen auf die Außenseite der Folie aufgebrachte Lackschicht, die nach dem Umformen Ausgehärtet wird. Diese Lackschicht ist empfindlich gegen Beschädigungen durch das Formwerkzeug, besonders bei hohen Injektionsdrücken des eingespritzten Matrixmaterials aufgrund der Reibung, die zwischen Lackoberfläche und Werkzeug entstehen kann, da die verformte Folie aufgrund der Dimensionsveränderungen, hervorgerufen durch das Schrumpfverhalten nach dem Thermoformen, nicht problemlos in ein weiteres Werkzeug passt.
Ein weiteres, bereits bekanntes Verfahren zur Oberflächenveredlung ist eine Variante des IMD-Verfahrens (In-Mold-Decoration). Hierbei wird eine bedruckte Trägerfolie über ein Formwerkzeug geführt. Nach dem Schließen der Formhälften wird die Trägerfolie mitsamt dem dekorativen Aufdruck mit Hilfe des pneumatischen Druckes eines eingespritzten Kunststoffes umgeformt. Nach dem Erhärten des (zumeist thermoplastischen) Kunststoffes und der Bauteilentformung haftet der Dekordruck am entstandenen Bauteil, die Trägerfolie wird abgelöst und entsorgt.
Dieses Verfahren ermöglicht eine Dekoration der Oberflächen des Bauteils, nicht aber das Herstellen einer mechanisch bzw. chemisch widerstandsfähigen Schutzschicht. Für Anwendungen im bewitterten Außenbereich muss grundsätzlich lackiert werden. Auch sind die so zu dekorierenden Bauteile anlagentechnisch bedingt nur in begrenzten Abmaßen einzusetzen.
Eine Kombination der bereits genannten Verfahren der IMD und des Folienhinterspritzens ist ein Verfahren, bei dem eine ungeformte, dekorierte und elastische Folie über ein Formwerkzeug geführt wird. Nach dem Schließen der Formhälften wird die Folie mitsamt dem dekorativen Aufdruck mit Hilfe des pneumatischen Druckes eines eingespritzten Kunststoffes umgeformt. Nach dem Erhärten des (zumeist thermoplastischen) Kunststoffes und der Bauteilentformung haftet die Folie am entstandenen Bauteil. Mit diesem Verfahren können aber nur mechanisch wenig widerstandsfähige, elastische Oberflächen mit geringen Härten (sogenannte Softfeel-Oberflächen) für unbewitterte Innenbereiche auf Bauteile aufgebracht werden.
Neben den Vorteilen des Entfallens eines kompletten Arbeitsganges und des Einlegens einer vorgeformten Folie inklusive Entfall von qualitätsmindernden Lagerungsprozessen kann noch die notwendige Prozesswärme der Umformung als Prozesswärme der nachfolgenden Herstellung der Bauteile zur Energieeinsparung eingesetzt werden.
Das Verbleiben gerade von dünneren Oberflächenfolien im Formwerkzeug verbessert in hohem Maße die Qualitätssicherheit der Produktion, da die Entnahme einer in einer separaten Anlage vorgeformten Folie sowie der Transport und die Lagerung aufgrund der Verschmutzungsgefahr und der veränderten Umgebungstemperaturen zu Qualitätsminderungen und auch Dimensionsänderungen (Schrumpfung) führt.
In der EP 1 230 076 wird der Vorgang der Folienumformung im späteren Formgebungswerkzeug beschrieben, allerdings können hierbei nur sehr dünne Folien mit höchstens dekorativen Eigenschaften zum Einsatz kommen, da die uneffektive Erwärmung mittels der Kontaktwärme der beheizten Patrize sowie des Halterahmens (genannt Ringmutter) bei stärkeren Folien um ein Vielfaches länger dauert als bei einer separaten Strahlungsheizung. Für eine Herstellung von FVK-Formteilen ist diese Art der Folienerwärmung nicht geeignet, da Patrize und Ringmutter zur fehlerfreien Entformung des entstandenen FVK-Formteils wieder einem längeren Abkühlprozess unterzogen werden müssen. Weiterhin erlaubt diese Art der Folienerwärmung keine Darstellung von scharf konturierten Oberflächen.
Ein weiterer Nachteil der in der EP 1 230 076 verwendeten Ringmutter (Rahmen) ist, dass diese(r) ausschließlich die Form der Außenkontur des Formteilschnittes haben muss und somit eine flexible Gestaltung für verschiedenförmige Außenkonturschnitte nicht gegeben ist. Für jedes anders gestaltete Formteil muss eine neue, entsprechend gestaltete Ringmutter angefertigt werden. Der Produktwechsel in der Anlage gestaltet sich daher ebenso umfangreich wie langwierig.
Ein weiterer Nachteil des Einsatzes der Ringmutter (des Rahmens) ist die begrenzte Mobilität der Ringmutter (des Rahmens), da dieser während des Produktionsprozesses an Vakuum- und Heiz-/Kühlleitungen angeschlossen bleiben muss.
Darüber hinaus wird der gesamte Verfahrensablauf der Herstellung von Formteilen mit einer Oberflächenfolie und einer hinterspritzten Formmasse aus Polyurethan, ähnlich dem Folienhinterspritzen, beschrieben. Polyurethan-Formteile unterscheiden sich jedoch deutlich nachteilig hinsichtlich spezifischem Gewicht, Festigkeit und Einsatzgebiet gegenüber den FVK-Formteilen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bereits bekannten Verfahren zur Veredelung der Oberflächen von Formteilen aus Faserverbundkunststoffen so zu vereinfachen, dass zumindest das separate Verfahren der Folienumformung sowie das dazugehörige periphere Handling entfällt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundkunststoffen mit veredelter Sichtfläche, die sichtseitig eine Oberflächenfolie aufweisen, das folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Formen der Oberflächenfolie entsprechend der Topographie des Formteiles,
– Aufbringen eines Fasergewebes auf eine der Sichtfläche abgewandten Innenseite der geformten Oberflächenfolie und anschließendes Imprägnieren mit Präpolymerharz,
– Formen des Formteiles und Aushärtung,
– Entnahme des sichtseitig die Oberflächenfolie aufweisenden Formteiles,

– eine zugeschnittene Oberflächenfolie bis zur Erweichungstemperatur erwärmt wird,
– die zugeschnittene erwärmte Oberflächenfolie im Formwerkzeug entsprechend der Topographie des herzustellenden Formteiles geformt wird,
– ein Fasergewebe und Präpolymerharz im gleichen Formwerkzeug auf die Innenseite der Oberflächenfolie aufgebracht, entsprechend der Topographie des Formteiles geformt und ausgehärtet wird und
– das fertige Formteil nach Aushärtung dem Formwerkzeug entnommen wird.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung gelöst mit einer Anlage zur Herstellung von Formteilen mit veredelter Sichtfläche aus Faserverbundkunststoffen, die sichtseitig eine Oberflächenfolie aufweisen, umfassend

– eine Beladestation, aufweisend eine gehalterte Folienrolle mit einer aufgewickelten Oberflächenfolie und ein Zuschneidewerkzeug,
– eine Heizstation zur Erwärmung der Oberflächenfolie,
– eine Formstation, aufweisend einen Matrizenhalter mit einer Matrize, einen Patrizenhalter mit einer Patrize, wobei Matrize und Patrize die Negativ- bzw. Positivform des herzustellenden Formteiles aufweisen,
– eine Formteilentnahmestation und
– eine Folienhalterung für die Halterung der Oberflächenfolie.

Die Folienhalterung kann beispielhaft als Halterahmen oder als Vakuumfixierung für den Transport und die Bearbeitung der Oberflächenfolie ausgebildet sein.
Die eingesetzte Oberflächenfolie dient, sich verbindend mit dem entstehenden Formteil, als dekorative und auch als funktionale Oberflächenschicht, z. B.
dekorativ farbig oder transparent mit glatter oder strukturierter Oberfläche bzw. mit Dekor- und Funktionselementen in oder unter der Folie oder
funktional als Schutzschicht gegen äußere mechanische oder chemische Einwirkungen auf das Formteil.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Halterahmen nimmt die ungeformte Oberflächenfolie auf und transportiert diese dann zur nächsten Bearbeitungsstation. Das kann die Vorwärmeinrichtung für die Oberflächenfolie bzw. die Umformeinrichtung sein. Dort trägt der Halterahmen die Oberflächenfolie während des Umformprozesses sowie während des Injektionsprozesses. Nach der abgeschlossenen Injektion des Harzes trägt der Halterahmen während des Entformens aus der Negativform das entstandene Rohformteil. Er transportiert dann das Rohformteil ggf. durch eine Wärmestrecke zur Nachbearbeitung bzw. Formteilentnahmestation.
Am Rahmen sind die Aufnahmen der automatischen Lineartransportachsen befestigt.
Vorteilhafterweise dichtet der Rahmen die Oberflächenfolienunterseite gegen die Druckplatte ab, die zum Erzeugen des pneumatischen Umformdruckes während des High-Pressure-Formens (mittels pneumatischen Überdruck) die Folienunterseite abdeckt.
Darüber hinaus nimmt der Rahmen die Kanäle für die Medienführung auf, die hier Vakuum bzw. verdrängte Abluft/überschüssiges Harz sein können.
Die Matrizen- und Patrizenhalter klemmen beidseitig abdichtend die umzuformende Oberflächenfolie ein.
Die Matrizen- und Patrizenhalter sind so ausgeführt, dass sie während der pneumatischen Folienumformung die Abdichtung zwischen Umformwerkzeug (Negativform, Matrize) und der im Halte rahmen geklemmten Oberflächenfolie herstellt. Des Weiteren dichtet er die Folienunterseite gegen die Druckplatte ab, die zum Erzeugen des pneumatischen Umformdruckes während des High-Pressure-Formens (mittels pneumatischen Überdruck) die Folienunterseite abdeckt.
Des Weiteren dichtet der untere Folienhalter die Folienunterseite (Rückseite) zur Gegenform während des Injektionsprozesses ab.
Durch den oberen Formenhalter wird zwischen Folienoberseite und Umformwerkzeug zur Umformung evakuiert bzw. während des High-Pressure-Formens entlüftet.
Eine Mediendurchführung durch den oberen und unteren Formenhalter unterstützt die modulare Gestaltung als stationäre Formenträger mit auswechselbaren Formeinsätzen ohne aufwändige Medienanschlüsse und Abdichtungen an diesen Formeneinsätzen.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Stützschale dient als Aufnahme und Transporthilfe für das zugeschnittene und vorgeformte Fasermaterial von der Preformingstation zum Umformwerkzeug, als Trennmaterial zwischen Gegenform (Patrize) und Faserverbundkunststoff (FVK) und stützend, je nach Ausführung, für den FVK-Aufbau während der Entformung des sich noch im Gelierzustand befindlichen FVK-Formteiles (geliert bedeutet angehärtet, aber noch nicht ausgehärtet). Die Stützschale besteht aus einem Metall mit einem Trennmittelbelag oder aus einem Kunststoff, der eine Indifferenz zum verwendeten Matrixkunststoff besitzt, um eine chemische Verbindung zu vermeiden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Erwärmung der eingespannten Oberflächenfolie außer halb des Formwerkzeuges erfolgt und anschließend die Oberflächenfolie in das Formwerkzeug eingebracht wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der eingespannten Oberflächenfolie im Formwerkzeug erfolgt.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die eingespannte Oberflächenfolie im Formwerkzeug mittels Druck und/oder Vakuum geformt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem Formen der Oberflächenfolie das Fasergewebe mittels einer Stützschale auf die Innenseite der im Formwerkzeug einliegenden Oberflächenfolie aufgebracht und in einem entstehenden Formenspalt zwischen Innenseite der Oberflächenfolie und der Stützschale das Präpolymerharz im flüssigen Zustand injiziert.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Stützschale die Maße des Formenspaltes eingestellt.
Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen auf einer Transportbahn bewegt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges in das Fasergewebe eingebrachtes Präpolymerharz über Harzkanäle abgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Einführung des Präpolymerharzes mit Vakuum unterstützt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Wärmenachbehandlungsstation angeordnet ist.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage ist die Folienhalterung als Halterahmen ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Halterahmen mehrteilig ausgebildet.
In einer Weiterbildung ist der Halterahmen einteilig ausgebildet.
In einer Weiterbildung der Anlage ist die Heizstation in der Formstation integriert.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Stationen der Anlage mittels einer Transportbahn verbunden sind, auf der die Folienhalterung von Station zu Station verschiebbar angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage ist zwischen Matrizenhalter und Patrizenhalter flüssigkeits- und vakuumdicht die Folienhalterung positionierbar.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckplatte mit einer Heizvorrichtung für die Erwärmung der Oberflächenfolie auf dem Matrizenhalter positionierte Folienhalterung aufsetzbar ist, wobei die Druckplatte und die Heizvorrichtung eine Druckluftzuführung für die Formung der Oberflächenfolie in der Matrize aufweisen.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage weist der Matrizenhalter und die Matrize eine Entlüftungsbohrung zum Anlegen eines Vakuums zur Formung der Oberflächenfolie auf.
Ein Vorteil der Erfindung ist die Ermöglichung einer automatisierten Fertigung von Kunststoffteilen aus Faserverbundkunststoffen.
Die Oberflächenfolie, die zur Oberflächenveredelung eingesetzt werden soll, wird mittels einer Strahlungsheizeinheit einseitig oder beidseitig bis zur Umformtemperatur vor oder über dem Formwerkzeug erwärmt wird. Dann wird die erwärmte Oberflächenfolie in einem der Topographie der Oberfläche des herzustellenden Formteils gleichen Werkzeug umgeformt und im Anschluss in demselben Werkzeug die Herstellung des Formteils aus Faserverbundkunststoffen nach den weiter oben beschriebenen Resin-Transfer-Moulding-Verfahrens (RTM), des Vakuum-Injektions-Verfahrens (VI) oder des Resin-Infusions-Verfahrens (RI) durchgeführt.
Die Folienumformung kann mittels Negativ-Tiefziehens oder mittels Hochdruck-Umformens (High-Pressure-Forming) erfolgen. Dieses kann mit Hilfe eines Rahmens erfolgen, in den die umzuformende Folie eingespannt wird.
Der in der Erfindung vorgeschlagene Halterahmen ist aufgrund seiner Gestaltung lediglich auf die zu standardisierende Außenkontur des formgebenden Werkzeuges, abhängig von der Größe und Kontur der Formenträgereinrichtung, beschränkt, in deren fixierten Konturen sich verschiedenste Formteil-Außenkonturen darstellen lassen.
Die Automatisierung des Verfahrens ist maßgeblich abhängig vom Einsatz einer Folie als Oberflächen- wie auch Stütz- bzw. Trägerfolie in Einem.
Bei diesem Vorgang wird die Oberflächenfolie, sofern sie auf einer Rolle aufgerollt ist, mittels eines integrierten Schneidwerkzeuges vom Rest der Folie abgetrennt. Alternativ kann die Oberflächenfolie bereits geschnitten in die Anlage eingebracht sein. Nun wird der Halterahmen mitsamt der Oberflächenfolie automatisch zwischen die Heizelemente zur Erwärmung der Oberflächenfolie auf Umformtemperatur und anschließend über das Formwerkzeug geführt. Alternativ kann die Oberflächenfolie auch unbeheizt über das Formwerkzeug geführt werden und dort mittels beweglicher Heizelemente ein- oder beidseitig beheizt werden. Der Halterahmen dient hier als Abdichtung des Prozesses zum Formwerkzeug hin einerseits und, bei Einsatz des pneumatischen High-Pressure-Formings zur Umformung der Oberflächenfolie andererseits, als Abdichtung zur notwendigen Druckplatte.
Bei Einsatz des Negativ-Tiefziehverfahrens entfällt die Funktionen der Entlüftung.
Alternativ kann die Oberflächenfolie auch über das Formwerkzeug geführt werden und dort vor Ort einseitig mittels einer in die als Kasten ausgebildete Druckplatte integrierte Strahlungsheizung erwärmt werden.
Im folgenden nächsten Verfahrensschritt dichtet der entsprechend gestaltete Halterahmen das nun mit der umgeformten Oberfläche belegte Werkzeug einerseits und das nun zugeführte, mit trockenem Fasermaterial belegte Gegenwerkzeug andererseits ab. In einer anderen Ausgestaltung hat die Folienhalterung keine Dichtungsfunktion sondern nur eine Haltefunktion der Oberflächenfolie.
Nach erfolgter Injektion/Einbringung des Matrixmaterials und anschließender Anhärtung/Erstarrung dessen kann das Bauteil bereits automatisch aus der Negativform ausgeformt werden, da die bereits vorgeformte Oberfläche das Bauteil schon entsprechend stabilisiert. Das Formteil verbleibt auf der Gegenform, die adaptiv so gestaltet werden kann, dass funktionale Elemente wie die Injektionsdüsen in der Anlage verbleiben und nur die formgebende, separat zu entfernende Stützschale der Gegenform im Bauteil verbleibt. Anschließend wird das Bauteil mitsamt der Stützschale und des Rahmens, der nun als Aufnahme für die Transportvorrichtung dient, weitertransportiert. Alternativ kann auch die Gegenform mit dem darauf verbleibenden Bauteil komplett weitertransportiert werden. Ebenso kann das Bauteil im geschlossenen Werkzeug bis zur endgültigen Aushärtung verbleiben.
Ein Vorteil der Erfindung hinsichtlich der Automatisierung des Herstellungsprozesses von FVK-Formteilen besteht darin, dass anstelle der Stützschale ein separat hergestelltes Trägerbauteil eingesetzt werden, dass sich während des Herstellungsprozesses im Formwerkzeug mit dem FVK verbindet und so beispielsweise die Formteilunterseite mit benötigten Funktionselementen wie Befestigungsklipps oder Aufnahmen für Funktionsbauteile ausrüstet. Die Gegenform wird entsprechend adaptierend gestaltet.
Je nach angewendeten Materialien wird das FVK-Formteil mitsamt der Stützschale und dem Halterahmen durch einen Wärmetunnel zur Temperaturbehandlung oder sofort zur Nachbearbeitung/Randbesäumung weitertransportiert. Dort angekommen ist das Formteil dann soweit ausgehärtet, dass es ggf. sofort nachbearbeitet oder von der Stützschale, alternativ Gegenform, entnommen und noch im Halterahmen verbleibend auf einer separaten Haltevorrichtung bearbeitet werden kann.
Ausgestaltend können als Oberflächenfolien transparente coextrudierte Einschichtfolien zur Anwendung kommen, um dem Wunsch nach Sichtbarmachung der Faserverstärkung, speziell beim Einsatz technischer Gewebe wie Carbonfaser- und eingefärbter Glasfasergewebe entgegen zu kommen.
Weiterhin begünstigt der Einsatz von Oberflächenfolien von mindestens 0,3 mm Stärke eine Verkürzung der Taktzeiten: Je dicker die vorgeformte Schicht, desto schneller besitzt das fertige Bauteil die Eigenstabilität, die ein Ausformen erlaubt. Folien über 0,3 mm besitzen zudem gegenüber den bisher in den oben beschriebenen Verfahren eingesetzten dünnen Lackfolien den Vorteil des größeren mechanischen Widerstandes gegenüber Umwelteinflüssen, da sie umso mehr eine funktionale als nur eine dekorative Oberfläche darstellen. Schichtstärken bis 5 mm sind möglich.
Auch können partiell teilgefärbte transparente Folien eingesetzt werden, die eine Sichtbarmachung der darunter liegenden Verstärkungen aus Kunststoff sowie möglicher integrierter Funktionselemente wie Leuchtanzeigen, Digitalanzeigen sowie anderer Leuchtquellen erlauben. Diesen Effekt erzielt man auch durch den Einsatz von Platzhaltern unter transparenten Oberflächenfolien, auf deren Rückseite dann eingefärbte technische Gewebe als Verstärkung zum Einsatz kommen. Weiterhin erlaubt das beschriebene Verfahren die Integration von Solarfolien unter einer transparenten Oberfläche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Anwendungsbeispielen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen
1a bis 1o eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes,
2 eine schematische Darstellung einer alternativen Erwärmung der Oberflächenfolie,
3a bis 3c eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Erwärmung der Oberflächenfolie,
4 eine schematische Darstellung der Verformung der Oberflächenfolie mittels Vakuum,
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorimprägniertem Fasergewebe,
6 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage,
7 eine schematische Darstellung der Anlage in Draufsicht,
8 eine schematische Darstellung der Anlage in Seitenansicht,
9 eine Detailansicht der Formstation mit außen angeordnetem Halterahmen
10 eine Detailansicht der Formstation mit zwischen Patrizen- und Matrizenhalter angeordnetem Halterahmen und
11 eine Detailansicht der Formstation in teilexplodierter Darstellung.
Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf wird in einem Ablaufschaubild anhand der in den 1a bis 1o schematisch dargestellten Verfahrensschritte näher erläutert.
Im Verfahrensschritt nach 1a wird eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Oberflächenfolie 4 von einer Folienrolle 1 abgezogen und auf die erforderliche Größe mittels Zuschnittwerkzeug 2 zugeschnitten.
Diese Oberflächenfolie 4 wird im Verfahrensschritt nach 1b in einen Halterahmen 3 eingespannt (Beladestation A).
Gemäß 1c wird die im Halterahmen 3 eingespannte Oberflächenfolie 4 zwischen Heizelementen einer Heizeinrichtung 5 erwärmt (Heizstation B), und danach, wie in 1d dargestellt, unter eine Matrize 6, die in einem Matrizenhalter 7 gehaltert ist, geführt (Negativ-Formwerkzeug), das die Topographie der Oberfläche eines zu erzeugenden Formteils 16 aus Faserverbundkunststoff aufweist (Formstation C).
Alternativ kann die Folie auch direkt unter dem Formwerkzeug positioniert und dort mittels beweglicher Heizeinrichtung 5 (2) oder mittels in der dann kastenförmig ausgebildeten Druckplatte 8 in 3a eingelassenen Heizungselementen erwärmt werden. Dieses ist bei besonders dünnen Folienstärken möglich.
Danach wird die Matrize 6 mittels der Druckplatte 8 verschlossen (1e), wobei sich der Halterahmen 3 mit der Oberflächenfolie 4 durch den eingebrachten Druck gegen den Matrizenhalter 7 mit der innenliegenden Matrize 6 gegen den Halterahmen 3 abdichtet.
Alternativ besteht, wie in 3b dargestellt, das Gegenwerkzeug aus der Druckplatte 8, die mit einer innenliegenden Heizeinrichtung 5 versehen ist, die während des Umformvorgangs auf der Druckplatte 8 verbleibt und wahlweise auch während des Umformvorganges ein- bzw. abgeschaltet werden kann.
Durch einen pneumatischen Überdruck, über die Druckluftzuführung 9 zugeführt, abgebildet in 1f und 3c, bzw. durch einen pneumatischen Unterdruck, dargestellt in 4, wird die Oberflächenfolie 4 beim Folienpreforming so verformt, dass eine Oberflächenfolie 4 mit der Topographie der Oberfläche des zu erzeugenden Formteils 16 entsteht (1f).
Die Folienumformung mit einem auf der Druckplatte 8 aufliegenden Heizelement 5 zur Folienumformung mittels Vakuum ist ebenfalls möglich und hier nicht weiter dargestellt. Alle o. g. Umformarten sind auch ohne jegliche Erwärmung der Folie möglich, in Abhängigkeit der Folienstärke sowie der Geometrie der Form. Im Verfahrensschritt nach 1g wird ein Fasergewebe 11 unter die entstandene Kavität der Oberflächenfolie 4 auf eine über die Patrize 14 positionierte Stützschale 10 gelegt, so dass die vorgeformte Oberflächenfolie 4 die Sichtfläche des Formteils 16 bildet (1h). Die Tiefe und Kontur der Patrize 14 berücksichtigt die Wandstärke des zu erzeugenden Formteils 16. Im Verfahrenschritt nach 1i erfolgt nun ein auf das Halbzeug, in diesem Falle das Fasergewebe 11, abgestimmtes Umformverfahren, in dem die Harzmatrix in Form von flüssigem Präpolymer durch einen Harzeinfüllkanal 15 in einen mit trockenem Fasergewebe 11 (oder auch Fasermatte bzw. Gelege) gefüllten Formenspalt 17 injiziert wird. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich alle Arten von Fasern, wie Kunstfasern (Glas, Carbon, Aramid, Polyesterfasern), Naturfasern, Metallfasern in jeder Verarbeitungsform (Matte, Endlosmatte, Gewebe, Gelege, Vliese).
Alternativ zu den beschriebenen trockenen Fasermaterialien kann auch, wie in 5 dargestellt, ein bereits mit Reaktionskunststoff imprägniertes Fasergewebe 11 auf die Stützschale 10 bzw. die Patrize 14 verbracht werden. Der oben beschriebene Injektionsvorgang entfällt. Durch Zusammenfahren des Formwerkzeuges, also der Patrize 14 und der Matrize 6 wird das bereits imprägnierte Fasergewebe 11 mit der Oberflächenfolie 4 zu einem Formteil 16 verpresst.
Nach dem Aushärten des faserverstärkten Kunststoffs bzw. dem Abkühlen wird, wie in 1j gezeigt, das Formwerkzeug geöffnet und das fertige Formteil 16 verbleibt auf der Stützschale 10 über der Patrize 14. Die Stützschale 10 wird von der Patrize 14 entfernt und dient nun zusammen mit dem Halterahmen 3 zum Weitertransport des Formteils 16. Das Ausformen aus der Matrize 6 kann schon vor dem Aushärten des Matrixmaterials erfolgen, da die Oberfläche bereits erhärtet ist, so dass das Formteil 16 zu dieser Seite hin ausreichend fixiert ist. Die Matrix kann sich derzeit noch in einem angehärtetem Zustand (geliert) befinden.
Die andere Seite des Formteils 16 wird durch die verbleibende Stützschale 10 bzw. der Patrize 14 fixiert.
Das beschriebene Umformverfahren kann auch ohne Stützschale 10 erfolgen. Das Formenwerkzeug der Formstation C bleibt bis zur Aushärtung des Präpolymerharzes geschlossen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren besteht auch hier noch ein hoher Zeitvorteil, da die Wartezeiten für eine nur aus Reaktionsharz hergestellte Oberfläche entfallen.
Bei herkömmlichen Verfahren ist ein Verbleiben des Formteils 16 bis nach dem Aushärten zum beschädigungsfreien Entformen notwendig.
Das entstandene Formteil 16 wird mittels des Halterahmens 3 auf der Transportbahn 37 ggf. automatisch durch einen Nachhei zer 29 (1k) der Wärmenachbehandlungsstation E geführt und härtet dort dimensionsstabilisiert durch die noch verbliebene Stützschale 10 und den Halterahmen 3 aufgrund von Wärmezuführung über die Nachheizung 29 aus.
Bei Verwendung von hochreaktiven Materialien kann diese Nachtemperung entfallen.
Am Ende der Nachheizung 29 kann das Formteil 16 von der Stützschale 10 entformt (11) und, im Halterahmen 3 verbleibend, auf eine Nachbearbeitungsvorrichtung (1m) verbracht und mittels Nachbearbeitungswerkzeugen 18 besäumt werden.
Alternativ kann das Formteil 16, dargestellt in 1n, bereits vor der Besäumung vom Halterahmen 3 und Stützschale 10 entfernt und dann, wie in 1o dargestellt, besäumt werden. Nach dem Besäumen und eventuell erforderlichem Säubern der Kanten von Graten des Kunststoffs kann das Formteil 16 verwendet werden. Alternativ kann das Formteil 16 bereits vor dem Beschneiden aus dem Halterahmen 3 entfernt werden und auf einer separaten Vorrichtung beschnitten werden.
Das Formteil 16 erhält durch die Oberflächenfolie 4 eine gebrauchsfertige
Oberfläche, die keiner Nachbearbeitung oder Lackierung mehr bedarf. Für Effektfarben ist ein nachgeschalteter Lackierprozess mit reduziertem Lackieraufwand möglich.
Anhand der in den 6, 7 und 8 beispielhaft perspektivisch, in Draufsicht und in Seitenansicht dargestellten erfindungsgemäßen Anlage einer Produktionslinie wird das oben beschriebene Verfahren schematisch zusammengefasst dargestellt.
Die Anlage umfasst eine Beladestation A, eine Heizstation B, eine Formstation C, eine Formteilentnahmestation D, eine Wärmenachbehandlungsstation E sowie eine Folienhalterung F. Im Bereich der Beladestation A wird von einer Folienrolle 1 eine Oberflächenfolie 4 zugeschnitten und in eine Folienhalterung F eingebracht. Die Folienhalterung F ist hier als Halterahmen 3 ausgebildet, der auf einer Transportbahn 37 in die weiteren Bearbeitungsstationen transportiert wird. In der Heizstation B wird der Halterahmen 3 mit der Oberflächenfolie 4 bis zur Erweichung erwärmt und anschließend in die Formstation C überführt. In der Formstation C wird die in dem Halterahmen 3 eingespannte erwärmte Oberflächenfolie 4 zwischen dem Matrizenhalter 7 und dem Patrizenhalter 13 angeordnet. Die Druckplatte 8 bewirkt die Formung der Oberflächenfolie 4 durch die im Patrizenhalter 13 befindliche Patrize 14 und die im Matrizenhalter 7 befindliche Matrize 6. Nach Formung der Oberflächenfolie 4 entsprechend der geforderten Topographie des Formteiles 16 wird ein Fasergewebe 11, die Stützschale 10 und anschließend das Präpolymerharz wie oben beschrieben eingebracht. Nach Aushärtung des Harzes erfolgt in der Wärmenachbehandlungsstation E eine weitere Aushärtung des Harzes bis eine ausreichende Festigkeit erreicht wird. In der Formteilentnahmestation D wird das fertige Formteil 16 entnommen. Der Vorteil der Anlage in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die Oberflächenfolie 4 mittels der Folienhalterung F durch alle Bearbeitungsstationen transportiert werden kann und nach dem Press- und Umformvorgang mit dem entstandenen Formteil 16 in die Formteilentnahmestation D transportiert werden kann, ohne dass eine Entnahme der Folie vor der endgültigen Fertigstellung des Formteiles 16 erforderlich wäre.
9, 10 und 11 zeigen beispielhaft Ausführungsformen des Umformwerkzeuges der Formstation C. Hierbei wird in 9 und 11 der Halterahmen 3 außerhalb des Matrizenhalters 7 und des Patrizenhalters 13 angeordnet, während gemäß der Darstellung in 10 zwischen Matrizenhalter 7 und Patrizenhalter 13 der Halterahmen 3 eingelegt ist. Hier ist zusätzlich eine untere Halterahmendichtung 38 vorgesehen.
Das Umformwerkzeug der Formstation C besteht im Wesentlichen aus dem Matrizenhalter 7, der fest oder beweglich mit der Druckplatte 8 verbunden ist und die Matrize 6 aufnimmt. Der Matrizenhalter 7 kann mit einer Heizeinrichtung versehen sein (hier nicht dargestellt, z. B. interne Leitungen für eine Wasser oder Öl-Temperierung), um so die Matrize 6 zu temperieren. Eine weitere Funktion des Matrizenhalters 7 besteht in der Abdichtung des erfindungsgemäßen Halterahmens 3. Diese Abdichtung erfolgt außerhalb der Matrize 6. Durch eine Verriegelung 21 wird der Halterahmen 3 in einer zeitweilig benötigten Position gehalten und kann bei Bedarf (hier nicht dargestellt) mechanisch gelöst werden.
Während des Umformvorganges der Oberflächenfolie 4 wird der Halterahmen 3 mit Hilfe der Druckplatte 8 gegen den Matrizenhalter 7 gepresst. Dabei wird der Halterahmen 3 mittels der oberen Dichtung 27 gegen den Matrizenhalter 7 abgedichtet. Durch den Matrizenhalter 7 wird über Entlüftungsbohrungen 23 und Anschlussstück 22 Abluft abgeleitet bzw. Vakuum angelegt, das durch den Schlitz 24 umlaufend um die Matrize 6 und durch die Entlüftungsbohrung 19 in das Formwerkzeug geführt wird. Das Vakuum unterstützt die Formung der zugeschnittenen Oberflächenfolie 4 während der Umformung bzw. kann auch zur ausschließlichen Vakuum-Umformung der Oberflächenfolie 4 genutzt werden.
Die beschriebenen Entlüftungsbohrungen 19 in der Matrize 6 befinden sich außerhalb der späteren Schnittkante des fertigen Formteils 16.
Die Verwendung des Matrizenhalters 7 mit den beschriebenen Funktionen ermöglicht eine Vereinfachung der Matrize 6 und unterstützt so einen schnellen Formenwechsel bei Produktumstellungen.
Der Patrizenhalter 13 dient zur Aufnahme der Patrize 14 und kann ebenfalls temperiert werden. Der Patrizenhalter 13 ist beweglich auf dem Druckstempel 12 befestigt, so dass ein seitliches Herausfahren und einfaches Belegen mit Fasergewebe 11, aufliegend auf der Stützschale 10 ermöglicht ist. Durch den Patrizenhalter 13 wird ein Injektionskanal 26 für Reaktionsharzinjektion geführt.
Über einen im Rand des Patrizenhalters 13 befindlichen Harzkanal 25 kann überschüssiges Injektionsharz, ggf. durch Vakuum unterstützt, abfließen.
Auf der Oberseite des Randes der Patrize 14 befindet sich eine umlaufende Dichtung 20, die ein Eindringen des eingespritzten Reaktionsharzes zwischen Patrize 14 und Stützschale 10 verhindert.
Die Verwendung des Patrizenhalters 13 ermöglicht, wie schon beim Matrizenhalter 7 beschrieben, einen schnellen Formen- und Produktwechsel, da wesentliche Funktionselemente wie Temperierung und Abdichtung nicht mehr von der Patrize 14, sondern vom fest mit der Umformanlage verbundenen Patrizenhalter 13 übernommen werden. Eine untere Dichtung 28 verhindert ein Austreten von Reaktionsharz während der Injektionsphase sowie ein Eindringen von Außenluft während der Evakuierungsphase bei einer Vakuuminjektion.
9 zeigt das mit umgeformter Oberflächenfolie 4, Fasergewebe 11 und Stützschale 10 belegte Umformwerkzeug vor der Injektionsphase (wie bereits in der 1i beschrieben). Das Werkzeug ist vollständig geschlossen, der Formenspalt 17 zwischen Matrize 6 und Stützschale 10 definiert die spätere Stärke des Formteils 16.
Nach der Injektionsphase und dem Zeitpunkt des Anhärtens des Reaktionsharzes wird die Verriegelung 21 gelöst. Der Patrizenhalter 13 wird mitsamt der Patrize 14 und dem sich darauf befindlichen FVK-Formteils 16 und der Stützschale 10 abgesenkt. Dabei befindet sich das Formteil 16, verbunden durch die Oberflächenfolie 4 noch immer eingespannt im Halterahmen 3. Der Halterahmen 3 kommt über seitlich befestigte, hier nicht dargestellte Führungsrollen auf der Laufschiene einer Transportbahn 37 zum Stillstand. Diese befindet sich in einer Ebene über der untersten Position des Fahrweges des Patrizenhalters 13. Durch die weitere Abwärtsbewegung des Patrizenhalters 13 und der sich darauf befindlichen Patrize 14 kommt es zur Entformung des FVK-Formteils 16 von der Patrize 14, wobei die Stützschale 10 am Formteil 16 verbleibt, da diese ohne jede Befestigung auf der Patrize 14 aufliegt und durch Adhäsionskräfte am Formteil 16 anhaftet.
Die weiteren Abläufe sind schematisch in 1k bis 1m beschrieben. Der Halterahmen 3 dient bis zur vollständigen Entformung des Formteiles 16 als Stabilisator und Transporteinrichtung.
Die in 11 teilexplodierende Darstellung des Formwerkzeuges der Formstation C verdeutlicht den prinzipiellen erfindungsgemäßen Aufbau.
Verfahrensbeispiel des automatisierten Ablaufes anhand der Herstellung einer Motorrad-Radabdeckung
Eine Motorrad-Radabdeckung soll aus einer Material-Kombination eines hochreißfesten thermoplastischen Kunststoffes, hier PETG, als Oberfläche und eines Carbonfaserlaminates als Stützschicht hergestellt werden. Die Carbonfasern sollen aus Designgründen sichtbar bleiben, das Bauteil soll leicht, steif und bruchsicher sein. Deshalb wird ein Aufbau aus einer transparenten Folie aus PETG (1 mm) und einem 2-lagigen Carbonfasergewebelaminat (0,4 mm) gewählt.
Das PETG stellt die Bruch- und Splittersicherheit und die erforderliche Flexibilität des Formteiles sicher, das Carbonla minat sorgt für die erforderliche Steifigkeit, um im Resultat ein leichtes Bauteil zu erhalten.
Der Verfahrensablauf beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Ablaufschaubild anhand der in den 1a bis 1o schematisch dargestellten Verfahrensschritte näher erläutert. Im Verfahrensschritt nach 1a wird eine für das Inline-Folien-RTM-Verfahren geeignete zugeschnittene Oberflächenfolie 4 aus 2 mm starkem, transparentem PETG von einer Rolle abgezogen und auf die erforderliche Größe mittels eines Zuschneidewerkzeugs 2 zugeschnitten. Diese Oberflächenfolie 4 wird im Verfahrensschritt nach 1b in den beschriebenen Halterahmen 3 eingespannt. In 1c wird die im Halterahmen 3 eingespannte Oberflächenfolie 4 in der Heizeinrichtung 5 erwärmt und danach, wie in 1d dargestellt, auf eine Matrize 5 geführt, die die Topographie der Oberfläche des zu erzeugenden Formteils 16 aufweist.
Danach erfolgt die Formung mittels der Druckplatte 8, wobei sich der Halterahmen 3 mit der Oberflächenfolie 4 durch den eingebrachten Druck gegen den Matrizenhalter 7 und den Patrizenhalter 13 abdichtet.
Durch pneumatischen Überdruck, der über die Druckluftzuführung 9 erzeugt wird, wird die Oberflächenfolie 4 beim Folienpreforming so verformt, dass eine Oberflächenfolie 4 mit der Topographie der Oberfläche des zu erzeugenden Formteils 16 entsteht (1g).
Im Verfahrensschritt nach 1g wird ein 2-lagiges Fasergewebe 11 unter die entstandene Kavität der Oberflächenfolie 4 auf eine über der Patrize 14 positionierte Stützschale 10 gelegt, so dass die vorgeformte Oberflächenfolie 4 die Sichtfläche, also die der Umwelt ausgesetzte Seite des Formteils 16 bildet. Im Verfahrenschritt nach 1i erfolgt ein auf die PETG-Folie abgestimmtes Umformverfahren, in dem Harzmatrix in Form von flüssigem Reaktionskunststoff, hier Vinylesterharz über einen Harzeinfüllkanal 15 in den mit trockenem Carbonfasergewebe belegten Formenspalt 17 injiziert wird. Nach dem Aushärten des carbonfaserverstärkten Kunststoffs wird, wie in 1j gezeigt, die Formstation C geöffnet. Das fertige Formteil 16 (hier eine Radabdeckung) verbleibt auf der Stützschale 10 über der Patrize 14. Die Stützschale 10 wird von der Patrize 14 entfernt und dient nun zusammen mit dem Halterahmen 3 als Werkstückträger zum Weitertransport. Das Ausformen aus der Matrize 6 kann schon vor dem Aushärten des Matrixmaterials erfolgen, da die Oberfläche bereits erhärtet ist und das Formteil 16 zu dieser Seite hin fixiert. Die Matrix kann sich teilweise noch in einem angehärteten Zustand (geliert) befinden.
Diese Seite des Formteiles 16 wird durch die verbleibende Stützschale 10 bzw. der Patrize 14 stabilisiert.
Das Formteil 16 wird nun mittels des Halterahmens 3 auf einer Transportbahn 37 automatisch durch eine Wärmestrecke (1k) geführt und härtet dort dimensionsstabilisiert durch die noch verbliebene Stützschale 10 aus. Am Ende der Wärmenachbehandlungsstation E wird das Formteil 16 von der Stützschale 10 entformt (1l) und, im Halterahmen 3 verbleibend, auf eine Nachbearbeitungsvorrichtung (1m) verbracht und mittels Nachbearbeitungswerkzeugen 18 besäumt. Nach dem Besäumen und eventuell erforderlichem Säubern der Kanten von Graten des Kunststoffs kann die Radabdeckung verwendet werden. Die Radabdeckung hat durch die Oberflächenfolie 4 eine gebrauchsfertige transparente Oberfläche, die keiner Nachbearbeitung oder Lackierung mehr bedarf.
Die Zeiteinsparung in der Fertigung des FVK-Formteils 16 ist in diesem Falle enorm, da nicht nur die Prozedur des Umformens ca. 3x so schnell wie bei herkömmlichen Verfahren erfolgen kann, sondern der kosten- und zeitintensive Vorgang des nachträglichen Lackierens entfällt vollkommen.
Anwendungsbeispiele
Herstellen einer Kofferhalbschale aus FVK durch Umformen einer 2 mm starken transparenten Kunststofffolie aus hochreißfestem PETG, einer anschließenden Innendekoration auf der Rückseite der umgeformten Folie mittels eines aufgeklebten Logos sowie das anschließende Einbringen von je 3 0,2 mm starken Verstärkungslagen aus Carbonfasergewebe und flüssigem Kunstharz mittels des beschriebenen Folien-RTM-Verfahrens. Man erhält so ein dynamisch belastbares faserverstärktes Leichtbauteil mit einer Class-A-Oberfläche, das als Dekoration die sichtbare Carbonfaserstruktur zeigt und eine Kennzeichnung durch ein eingeklebtes Logo, unerreichbar und somit unzerstörbar auf der Rückseite der transparenten Oberflächenschicht, beinhaltet.
Die in dieser Anwendung beschriebene Kombination aus hochreißfestem thermoplastischem Kunststoff als Oberflächenfolie und hochsteifem Carbonlaminat als Stützschicht stellt eine neue Materialkombination ähnlich dem Sicherheitsglas dar. Der hochreißfeste Kunststoff ist ohne Verstärkung sehr flexibel und wenig flächensteif. Die zu erzielende Steifheit kann nur durch entsprechende Materialdicke und dem Nachteil des hohen Gewichtes gewonnen werden. Das Carbonlaminat für sich allein würde ohne die Kombination mit der hochreißfesten Oberflächenfolie aufgrund seiner geringen Scherfestigkeit bei einem Bruch splittern und scharfkantige Bruchkanten aufweisen. Die Kombination aus beiden Materialien stellt ein spezifisch leichtes, steifes Material dar, das bei einem Bruch bestenfalls knickt, nicht aber scharfe Bruchkanten aufweist.
Fahrzeug-Interieurbauteile aus FVK, wie z. B. eine Armaturenträgerblende mit stoßabsorbierender Wirkung, können wie folgt hergestellt werden:
Eine 1 mm starke transparente Kunststofffolie wird mittels High-Pressure-Verfahren umgeformt, eine 0,2 mm starke Lage eingefärbtes Glasfasergewebe und eine duroplastische Kunststoffmatrix werden mittels RTM-Verfahren auf die Rückseite der Folie aufgebracht und anschließend wird die Rückseite des so entstandenen schalenförmigen Bauteils im selben Werkzeug mittels entsprechender Vorrichtung ausgeschäumt. Es können wiederum dekorative Elemente auf der Folienrückseite wie z. B. das Herstellerlogo oder Platzhalter für den nachträglichen Einsatz von elektrischen Leuchtmitteln/Anzeigen eingebracht werden. Die faserverstärkte Oberfläche in Class-A-Qualität ermöglicht in Kombination mit dem Schaum ein Absorbieren von Aufprallenergie mit anschließender Rückstellung ohne Schaden am Bauteil und sorgt für ein vermindertes Verletzungsrisiko im Fahrzeuginnenraum. Auch hierbei tritt die bereits beschriebene positive Wirkung hinsichtlich des Splitterbruchverhaltens der Materialkombination, ähnlich einem Sicherheitsglas, ein.
Fahrzeug-Karosserie-Leichtbauteile aus FVK können mittels einer bereits in Wagenfarbe eingefärbten, im Werkzeug vorgeformten Kunststofffolie und einem anschließend mittels RTM-Verfahren eingebrachten Sandwich aus faserverstärkten Kunststoffen und vorgefertigten Hartschaumelementen hergestellt werden.
Die sonst notwendige kostenintensive Lackierung entfällt. Die gewonnenen Formteile sind leicht, steif und splittersicher.
Möbelelemente mit glänzender transparenter Oberfläche und Faseroptik als Dekoration
Eine transparente Kunststoffplatte der Stärke 3 mm wird im Formwerkzeug umgeformt, mit einem harzgetränkten Fasergewebe belegt und anschließend mit einer Platte aus MDF oder Multiplex der Normstärke 19 mm (für Möbel) im selben Werkzeug zu einem komplexen Bauteil verpresst.
Um ein PKW-Außenspiegel-Gehäuse herzustellen wird eine bereits in der gewünschten Farbe innenseitig beschichtete, transparente Kunststoff-Folie mittels High-Pressure-Forming in das Werkzeug geformt und anschließend die Innenkontur inklusive der notwendigen Aufnahmen der Einbauteile mittels Hinterspritzen im selben Werkzeug eingebracht. Die sonst notwendige kostenintensive Lackierung entfällt.

1: Folienrolle
2: Zuschneidewerkzeug
3: Halterahmen
4: Oberflächenfolie
5: Heizeinrichtung
6: Matrize
7: Matrizenhalter
8: Druckplatte
9: Druckluftzuführung
10: Stützschale
11: Fasergewebe
12: Druckstempel
13: Patrizenhalter
14: Patrize
15: Harzeinfüllkanal
16: Formteil
17: Formenspalt
18: Nachbearbeitungswerkzeug
19: Entlüftungsbohrung
20: Dichtung
21: Verriegelung
22: Anschluss-Stück
23: Entlüftungsbohrung
24: Schlitz
25: Harzkanal
26: Injektionskanal
27: obere Dichtung
28: untere Dichtung
29: Nachheizung
30
31
32
33
34
35: Innenraum
36
37: Transportbahn
38: untere Halterahmendichtung
A: Beladestation
B: Heizstation
C: Formstation
D: Formteilentnahmestation
E: Wärmenachbehandlungsstation
F: Folienhalterung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10309811 A1 [0009]
- EP 0819516 A2 [0014, 0014]
- EP 1230076 [0021, 0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fachaufsatz von Achim Grefenstein „Folienhinterspritzen statt Lackieren", in Metalloberfläche – Beschichten von Kunststoff und Metall, Heft 10/99, Carl Hanser Verlag, München [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundkunststoffen mit veredelter Sichtfläche, die sichtseitig eine Oberflächenfolie aufweisen, das folgende Verfahrensschritte umfasst: – Formen der Oberflächenfolie entsprechend der Topographie des Formteiles, – Aufbringen eines Fasergewebes auf eine der Sichtfläche abgewandten Innenseite der geformten Oberflächenfolie und anschließendes Imprägnieren mit Präpolymerharz, – Formen des Formteiles und Aushärtung, – Entnahme des sichtseitig die Oberflächenfolie aufweisenden Formteiles, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zugeschnittene Oberflächenfolie (4) bis zur Erweichungstemperatur erwärmt wird, – die zugeschnittene erwärmte Oberflächenfolie (4) im Formwerkzeug entsprechend der Topographie des herzustellenden Formteiles (16) geformt wird, – ein Fasergewebe und Präpolymerharz im gleichen Formwerkzeug auf die Innenseite der Oberflächenfolie (4) aufgebracht, entsprechend der Topographie des Formteiles geformt und ausgehärtet wird und – das fertige Formteil nach Aushärtung dem Formwerkzeug entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der eingespannten Oberflächenfolie (4) außerhalb des Formwerkzeuges erfolgt und anschließend die Oberflächenfolie (4) in das Formwerkzeug eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der eingespannten Oberflächenfolie (4) im Formwerkzeug erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingespannte Oberflächenfolie (4) im Formwerkzeug mittels Druck und/oder Vakuum geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Formen der Oberflächenfolie (4) das Fasergewebe (11) mittels einer Stützschale (10) auf die Innenseite der im Formwerkzeug einliegenden Oberflächenfolie (4) aufgebracht wird und in einem entstehenden Formenspalt (17) zwischen Innenseite der Oberflächenfolie (4) und der Stützschale (10) das Präpolymerharz im flüssigen Zustand injiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Stützschale (10) die Maße des Formenspaltes (17) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (3) auf einer Transportbahn (37) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges in das Fasergewebe (11) eingebrachtes Präpolymerharz über Harzkanäle (25) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung des Präpolymerharzes mit Vakuum unterstützt wird.
Anlage zur Herstellung von Formteilen mit veredelter Sichtfläche aus Faserverbundkunststoffen, die sichtseitig eine Oberflächenfolie (4) aufweisen, umfassend – eine Beladestation (A), aufweisend eine gehalterte Folienrolle (1) mit einer aufgewickelten Oberflächenfolie (4) und ein Zuschneidewerkzeug (2), – eine Heizstation (B) zur Erwärmung der Oberflächenfolie (4), – eine Formstation (C), aufweisend einen Matrizenhalter (7) mit einer Matrize (6), einen Patrizenhalter (13) mit einer Patrize (14), wobei Matrize (6) und Patrize (14) die Negativ- bzw. Positivform des herzustellenden Formteiles (16) aufweisen, – eine Formteilentnahmestation (D) und – eine Folienhalterung (F) für die Halterung der Oberflächenfolie (4).
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Wärmenachbehandlungsstation (E) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienhalterung (F) als Halterahmen (3) ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (3) mehrteilig ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (3) einteilig ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstation (B) in der Formstation (C) integriert ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen (A, B, C, D, E) mittels einer Transportbahn (37) verbunden sind, auf der die Folienhalterung (F) von Station zu Station verschiebbar angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Matrizenhalter (7) und Patrizenhalter (13) flüssigkeits- und vakuumdicht die Folienhalterung (F) positionierbar ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckplatte (8) mit einer Heizvorrichtung (5) für die Erwärmung der Oberflächenfolie (4) auf dem Matrizenhalter (7) positionierte Folienhalterung (F) aufsetzbar ist, wobei die Druckplatte (8) und die Heizvorrichtung (5) eine Druckluftzuführung (9) für die Formung der Oberflächenfolie (4) in der Matrize (6) aufweisen.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrizenhalter (7) und die Matrize (6) eine Entlüftungsbohrung (23) zum Anlegen eines Vakuums zur Formung der Oberflächenfolie (4) aufweist.