DE4325488A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus thermoplastischem Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, wo­ bei eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff mit wenigstens einer in die Kunststoffmatrix eingebrachten Verstärkungsschicht aus Gewebe, Vlies, Gestrick, Gelege, Geflecht od. dgl. auf eine Temperatur im Bereich des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffes erhitzt und mittels einer Matrize und Patrize verformt wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentan­ meldung P 41 40 044 bekannt. Mittels des vorbekannten Verfahrens ist es möglich, mit kurzen Taktzeiten Produkte, wie Schutzhelme, ausgehend von einem plattenförmigen Halbzeug umfassend den thermoplastischen Kunststoff und die wenigstens eine Verstärkungsschicht mit relativ geringer Wand­ stärke bei hoher Festigkeit herzustellen.

Im Prinzip ist die Verwendung von Platten aus thermoplastischem Kunst­ stoff mit eingelegter Verstärkungsschicht und die Verformung dieser Plat­ ten mittels Matrize und Patrize seit Jahrzehnten bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-PS 2 115 065 ein derartiges Verfahren, wobei zwar auch die Möglichkeit in Betracht gezogen wurde, thermoplastische Kunststoffe einzusetzen, wobei aber die Verformung des relativ weichen plattenartigen Materials bei Raumtemperatur erfolgte und in der Form sich dann ein Härtungsvorgang durch eine chemischen Reaktion anschloß.

Demgegenüber hat ein Verfahren der gattungsgemäßen Art den Vorteil, daß das Aushärten des erhitzten thermoplastischen Kunststoffes allein aufgrund der Kühlung an der Formwand erfolgt und dementsprechend die Entformung direkt im Anschluß an die Formgebung erfolgen kann und dementsprechend für die industrielle Fertigung sehr kurze Taktzeiten erzielbar sind.

Ein gewisser Nachteil des bekannten Verfahrens liegt allerdings darin, daß sich lokal unterschiedliche Wandstärken ausbilden können, obwohl von einem plattenförmigen Halbzeug exakter konstanter Dicke ausgegangen wird. Die unterschiedlichen Wandstärken sind beispielsweise dadurch be­ dingt, daß beim Drapieren der Verstärkungsschichten, z. B. in Form eines Gewebes, durch starke Scherung der Faserstränge gegeneinander Zonen er­ höhter Faserdichte entstehen. Dies ist bei Formteilen mit einer Sichtseite, wie z. B. der Außenseite eines Schutzhelms, nicht akzeptabel.

Die hier beschriebene Problematik tritt gerade bei thermoplastischen Kunststoffen auf, da diese aufgrund der großen Moleküllänge in der Plat­ tenebene nur eine geringe Fließfähigkeit aufweisen, so daß hierdurch der Abbau lokaler Verdickungen oder der Ausgleich von lokalen Wandstärkere­ duzierungen erheblich erschwert wird, während beispielsweise bei Duro­ plast-Composits aufgrund der anfänglich kürzeren Moleküllänge eine bes­ sere Fließfähigkeit und dementsprechend ein leichterer Ausgleich in der Ebene möglich ist.

Ein Ansatz zur Vermeidung der beschriebenen Probleme besteht darin, daß man ein temperiertes Metallgesenk und einen temperierten Metallstempel verwendet, wobei jedoch trotz hoher Paßgenauigkeiten der dementsprechend harten Formhälften zueinander bei dünnschaligen Formteilen die Herstel­ lung von Sichtflächen ohne Nachbearbeitung kaum möglich ist.

Zur Herstellung von Prototypen ist es bei einer vergleichbaren Problema­ tik auch bekannt, einem temperierten Metallgesenk einen Gummistempel ge­ genüber zu stellen. Bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit ent­ stehen hierbei Formteile mit relativ guter Oberfläche, da sich der Preß­ druck nach Art einer hydrostatischen Verteilung vergleichmäßigt. Eine Großserien-Fertigung ist auf diese Weise nicht möglich, da sich der Gum­ mistempel ständig aufheizt und dementsprechend bei mehreren Preßvorgän­ gen keine konstanten Verfahrenbedingungen gewährleistet sind, und weil der Gummistempel darüber hinaus nur eine sehr begrenzte Haltbarkeit aufweist, was insgesamt zu einer niedrigen Produktionsrate und Ausbrin­ gung für jeden derartigen Gummistempel führt. Weiterhin ist die Oberflä­ che bei einer komplexen Formteilgestalt mit starken Krümmungen schlecht ausgebildet, da an engen Radien und Kanten die Pressung geringer ist und es sogar dazu kommen kann, daß die Verstärkungsfasern sich in die weiche Stempelmasse eindrücken und aus der vorgesehenen Lage hinaus­ wandern.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei rationeller Fertigung eine hohe, gleichmäßige, keine Nachbehandlung erforderlich machende Oberflächenqualität erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Kunst­ stoff-Platte wenigstens einseitig eine druckweiche Membran wenigstens während des Formgebungsvorganges angeordnet ist.

Vorzugsweise ist die Membran an der der Sichtfläche des fertigen Formteil entgegengesetzten Seite angeordnet. Sie wird günstigerweise nach der Formgebung abgezogen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Membran nach der Formgebung in die Formteilwand integriert ver­ bleibt und dort als polsternde, stoßdämpfende oder schalldämmende Schicht und/oder als eine Dekorfunktion erfüllende Schicht verbleibt.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, eine derart widerstandsfähige Membran zu verwenden, daß diese nach dem Abziehen nochmals wiederverwendet werden kann. Andererseits wäre es auch mög­ lich, die Membran auf Rollen vorrätig zu halten, ein jeweils benötigtes Stück abzuziehen und vor oder parallel mit dem Formgebungsvorgang ab­ zustanzen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Ausgleich lokaler Schicht­ dickenerhöhungen bzw. allgemein von Schichtdickenabweichungen begün­ stigt, so daß Oberflächen, insbesondere an der Sichtseite, mit einem sehr gleichmäßigen hochwertigen Erscheinungsbild entstehen. Besonders an stark geneigten Formteilbereichen wird eine gleichmäßig hohe Materialver­ dichtung bei hoher Präzision der Geometrien und Gewebepositionierung er­ reicht. Die Herstellungskosten für die Preßform werden aufgrund der ge­ ringeren Genauigkeitsanforderungen an die beiden harten Formoberflächen zueinander reduziert. Die Einfahrzeit des Werkzeugs kann reduziert wer­ den, da die Retouschearbeit an den Flächen der Formhälften verringert wird oder ganz entfällt.

Ein weiterer sehr vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Verfahrens­ führung besteht darin, daß beim ersten Kontakt mit der noch nicht kom­ primierten Membran die thermoplastische Kunststoffmatrix zunächst gegen sehr schnelle Abkühlung geschützt ist. Erst nach dem Aufbauen des vollen Pressungsdruckes und damit einer weitgehenden Kompression der ursprüng­ lich beispielsweise 2 bis 5 mm starken Membran auf eine Dicke von bei­ spielsweise 3/10 mm kann die Wärme sehr schnell über das dann nahezu kompakte Material zum temperierten Werkzeug geleitet werden.

Die verwendete Membran weist günstigerweise eine Druckverformbarkeit < 90% in Richtung senkrecht zur Membranebene auf. Darüber hinaus sollte ein hohes elastisches Rückstellverhalten bei für technische Thermoplaste üblichen Formgebungstemperatur im Temperaturbereich von 120 bis 150°C gegeben sein.

Mit Vorteil besteht die Membran aus einem vernetzten, geschäumten Poly­ merwerkstoff, da hierdurch die geforderten Eigenschaften am besten er­ reichbar sind.

Die Verwendung eines offenzelligen, geschäumten Polymerwerkstoffes bringt zudem noch den Vorteil mit sich, daß durch die Offenzelligkeit der Schaumstruktur beim Kompressionsvorgang das eingeschlossene Gas schnell entweichen kann. Die durch die offenzellige Schaumstruktur vorhandenen Kanäle zwischen Formoberfläche und Composite-Material erleichtern auch der eventuell in vertieften Bereichen des Formnestes im Laufe des Schließ­ vorgangs der Form eingeschlossenen Luft das Entweichen bis zum direkten Formenkontakt.

Beispielsweise kann die Membran aus einem offenzelligen Schaumstoff aus Polyurethan in weicher oder halbharter Einstellung, Polyharnstoff, Sili­ konkautschuk, Zellgummi od. dgl. bestehen.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Membran aus einem Schaumstoff aus Hochtemperatur-Thermoplasten wie PMMI, PES od. dgl. be­ steht. Eine derartige Membran ist relativ starr und wird beim Formge­ bungsvorgang teilweise plastisch verformt.

Letztlich ist es auch noch vorstellbar, daß die Membran aus einem hoch komprimierbaren, sich elastisch verhaltenden textilen Flächenelement be­ steht, welches etwa velourartig ausgebildet ist und sich dementsprechend komprimieren läßt.

Schließlich kann es sich noch als vorteilhaft erweisen, daß die Membran sich in den Bereich eines bei derartigen Verfahren üblicherweise vorge­ sehenen Niederhalters erstreckt, d. h. eines die eigentliche Formausneh­ mung umgebenden Halterings, der ein geordnetes Drapieren der Verstär­ kungsschicht gewährleisten soll. Auch in diesem Bereich kann sich die Druckverteilung aufgrund der Membran vorteilhaft entfalten.

Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung und an­ hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer nicht voll­ ständig geschlossenen Form,

Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung lokaler Unterschiede in der Oberflächenqualität durch Toleranzen im Spalt zwischen den Form­ werkzeughälften,

Fig. 3 eine Darstellung bei einer einseitig eingebrachten verformbaren Membran bei noch teilweise geöffneter Form,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung bei vollständig geschlossener Form,

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der Verformungsverhältnisse in unterschiedlichen Formbereichen,

Fig. 6 einen Fig. 1 entsprechenden, allerdings vollständigen Schnitt zur Veranschaulichung der Verhältnisse bei der Verwendung einer rela­ tiv dicken, harten Membran bei ganz geschlossenem Werkzeug,

Fig. 7 eine Fig. 6 entsprechende Darstellung bei geöffnetem Werkzeug und bei Verwendung einer vorgeformten Membran, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Zuführung einer Weichmembran.

In Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren verwendete Form dargestellt, welche eine Matrize und ei­ ne Patrize bzw. einen Stempel umfaßt, wobei in beiden Formteilen Kanäle für ein Temperiermittel, d. h. zum Heizen oder Kühlen, vorgesehen sind. In der in der Zeichnung dargestellten, noch nicht vollständig geschlosse­ nen Form ist eine Schicht aus einem Composite-Material, also einem mit wenigstens einer Verstärkungsschicht versehenen thermoplastischen Kunst­ stoff, und eine erfindungsgemäße Membran angeordnet. Bei der dargestell­ ten Membran handelt es sich um eine relativ weiche Membran.

Aus Fig. 2 wird deutlich, daß bei einer detaillierten Betrachtung des Spaltes zwischen des beiden Formhälften, also zwischen Matrize und Pat­ rize aufgrund lokaler Unterschiede in der Oberflächenqualität die Spalt­ dicke d nach unten (-Δd) und nach oben (+Δd) abweichen kann, wobei eine formfehlerbedingte Reduktion der Spaltdicke zu einer er­ höhten Verdichtung und teilweisen Verdrängung der Matrix beim Formge­ bungsvorgang und eine teilweise erhöhte Spaltbreite zu einer schlechten Oberfläche wegen mangelnder Verdichtung des fertigen Formlings führt.

In Fig. 3 sind die entsprechenden Verhältnisse bei Verwendung des Com­ posite-Materials in Verbindung mit einer rückstellfähigen Membran darge­ stellt, wobei erkennbar ist, daß in Bereichen erhöhter Spaltdicke durch die elastische Membran das Composite-Material an die Formoberfläche ge­ drückt wird.

Ausgehend von der Situation bei noch teilweise geöffneter Form, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt die in Fig. 4 dargestellte Situation bei vollständig geschlossener Form, daß durch die erhöhte Pressung aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Membran im Bereich erhöhter Spalt­ dicken eine gute Oberfläche erreicht wird, wohingegen im Bereich vermin­ derter Spaltdicke eine Konsolidierungs- und Verdrängungsreserve im Com­ posite-Material genutzt wird.

In Fig. 5 ist beispielsweise anhand einer Helmform dargestellt, wie die Formhaltekraft lokal unterschiedlich wirksam wird. Dabei wird deutlich, daß im Bereich des Pols des herzustellenden Helms, d. h. an seiner ober­ sten Stelle die volle Form-Zuhaltekraft Z wirksam wird, während sich im Bereich des unteren Randes, wo die Form-Zuhaltekraft Z im spitzen Winkel zu den Formflächen verläuft, weitaus ungünstigere Verhältnisse ergeben.

Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei Verwendung einer relativ dicken, harten Membran, z. B. aus Hartschaum. Es sind dabei Bereiche plastischer, groß­ flächiger Verformung des Hartschaums erkennbar, wo aufgrund von Form­ fehlern die Spaltbreite reduziert ist. Demgegenüber ergibt sich in Berei­ chen vergrößerter Spaltbreite eine verbesserte Pressung aufgrund der ursprünglich bereitstehenden Anfangsdicke des Schaumes.

Bei einer Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, wird ein Weichmembran-Vorformling eingesetzt, der dann beispielsweise über dem Stempel liegt, wohingegen erst anschließend die Composite-Platte, angepreßt durch einen an sich bekannten Niederhalter, mittels der zweiten Formhälfte, also der Matrize, verformt wird, so daß die Membran sich während des Formvorgangs be­ reits in einem an einer Formhälfte angeschmiegten Zustand befindet.

Dies führt dazu, daß auch in Formbereichen, wo die Form-Zuhaltekraft im spitzen Winkel zu der Formoberfläche verläuft, ein gutes Formgebungs­ ergebnis erzielt wird.

In Fig. 8 ist schließlich noch schematisch eine Möglichkeit der Zuführung der Membran dargestellt, wobei die Membran von der in der Zeichnung linken Rolle abgerollt wird, unter der in der Form eingelegten Composite- Platte zu liegen kommt und über eine in der Zeichnung rechten Rolle ab­ gezogen wird, wobei durch das Schließen der Form ein Ausschnitt aus der Membran ausgestanzt wird.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formteils, wobei eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff mit wenigstens einer in die Kunststoffmatrix eingebrachten Verstärkungsschicht aus Gewebe, Vlies, Gestrick, Gelege, Geflecht o. dgl., auf eine Temperatur im Bereich des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffes erhitzt und mittels einer Matrize und Patrize verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kunststoff-Platte wenigstens einseitig eine druckweiche, stark verformbare Membran wenigstens während des Formgebungsvorganges angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an der der Sichtfläche des fertigen Formteils entgegengesetzten Seite angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran nach der Formgebung abgezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran nach der Formgebung in die Formteilwand integriert verbleibt und dort als polsternde, stoßdämpfende oder schalldämmende Schicht und/oder als eine Dekorfunktion erfüllende Schicht verbleibt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Formteils eine stark druckverformbare, nach der Formgebung aufkaschiert verbleibende oder entfernbare Weich- oder Hartmembran an­ geordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druck­ weiche, verformbare Membran während der Formgebung etwa mittig zwi­ schen zwei dünnen, thermoplastischen Composite-Laminaten angeordnet wird und nach der Formgebung dort als elastische Mittelschicht verbleibt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ verformbarkeit < 90% in Richtung senkrecht zur Membranebene beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran ein hohes elastisches Rückstellverhalten bei für technische Thermoplaste üblichen Formgebungstemperaturen im Temperaturbereich von 120 bis 150°C aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem vernetzten, geschäumten Polymerwerkstoff besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein offen­ zelliger, geschäumter Polymerwerkstoff eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem offenzelligen Schaumstoff aus Polyurethan in weicher oder halb­ harter Einstellung, Polyharnstoff, Silikonkautschuk, Zellgummi oder der­ gleichen besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem relativ starr, teilweise plastisch verformten Schaumstoff aus Hochtemperatur-Thermoplasten wie PMMI, PES besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem hoch komprimierbaren, sich elastisch verhaltenden textilen Flä­ chenelement besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran sich in den Bereich eines üblicherweise vorgesehenen Niederhalters er­ streckt.