HOHLFORMKÖRPERN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Hohlformkörpers, sowie ein mit diesem Verfahren hergestellten Hohlformkörper und ein Kraftfahrzeugbauteil mit einem Hohlformkörper. Es ist bekannt die Steifigkeit eines endlosfaserverstärkten Formkörpers zu erhöhen indem dieser die Form eines Hohlprofils einnimmt. Derartige Hohlprofile werden insbesondere durch Wickeltechniken in entsprechend aufwendigen Anlagen und mit langen Zykluszeiten angefertigt. Neben der aufwendigen Herstellung derartiger Hohlprofile ist weiterhin von Nachteil, dass diese verfahrensbedingt auf einfache Geometrien beschränkt bleiben.

Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung ein Verfahren anzugeben, welches eine vereinfachte und kostengünstigere Herstellung eines endlosfaserverstärkten Hohlformkörpers mit einer gleichzeitig komplexeren Geometrie ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Hohlformkörpern gelöst welches die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen von im Wesentlichen flächig ausgebildeten endlosfaserverstärkten Einlegern,

- Applikation eines Trennmittels auf mindestens einen Teilbereich der Oberfläche eines ersten Einlegers, wobei der Teilbereich im Wesentlichen dem Umformbereich eines nachfolgenden Umformschrittes zugeordnet ist,

Positionierung eines zweiten Einlegers auf dem ersten Einleger derart, dass das Trennmittel mindestens eine partielle Trennebene zwischen den beiden Einlegern defi- niert,

Transfer der übereinander angeordneten Einleger zwischen die mindestens eine Kavi- tät definierenden Werkzeugwandungen eines Umformwerkzeuges,

Schließen des Umformwerkzeuges,

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BESTÄTIG U NGSKOPI E Umformung mindestens eines der beiden Einleger mittels eines mit Vakuum oder Druck beaufschlagten Mediums, so dass sich der Einleger von der partiellen Trennebene entfernt und an die ihm zugeordnete Werkzeugwandung anlegt und zwischen den Einlegern mindestens ein Hohlraum gebildet wird, der durch die Kavität des Um- formwerkzeuges definiert wird,

Konsolidieren der Einleger innerhalb des Umformwerkzeuges,

Öffnen des Umformwerkzeuges und Entnahme des Hohlformkörpers.

In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäß Verfahren die Herstellung von end- losfaserverstärkten Hohlformkörpern mit einer komplexen Geometrie, die insbesondere von einer reinen Profilstruktur abweichen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es die Komplexität von endlosfaserverstärkten Bauteil zu erhöhen und deren Leichtbaupotentiale weiter zu verbessern - mit einer gleichzeitig reduzierten Anlageninvestitionen und reduzierten Anzahl von Prozessschritten und damit einhergehend einer erheblichen Kostenreduzie- rung. Das Umformwerkzeug dient gleichzeitig als Niederhalter für die Randbereiche der Einleger um ein möglichst gleichmäßiges Umformverhalten der Einleger zu erzielen indem diese während des Umformvorganges unter Spannung gehalten werden. Das Umformwerkzeug kann insbesondere als ein Pressenwerkzeug ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf einen weiteren Teilbereich einer der Trennebene abgewandten Seite eines der beiden Einleger ein weiteres Trennmittel appliziert und anschließend ein dritter Einleger so auf dem einen der beiden Einleger positioniert werden, dass das weitere Trennmittel mindestens eine weitere partielle Trennebene zwischen dem einen der beiden Einleger und dem dritten Einle- ger definiert, wobei der weitere Teilbereich ebenfalls im Wesentlichen einem Umformbereich des nachfolgenden Umformschrittes zugeordnet ist. Analog erfolgt ein Transfer der übereinander angeordneten Einleger zwischen die mindestens eine Kavität definierenden Werkzeugwandungen eines Umformwerkzeuges und das Schließen des Umformwerkzeuges. Im Anschluss erfolgt die Umformung mindestens eines der drei Einleger mittels eines mit Vakuum oder Druck beaufschlagten Mediums, so dass sich der Einleger von der partiellen Trennebene (erste und/oder weitere Trennebene) entfernt und an die ihm zugeordnete Werkzeugwandung anlegt und zwischen den Einlegern mindestens ein Hohlraum gebildet wird, der durch die Kavität des Umformwerkzeuges definiert wird. Das Konsolidieren der Einleger erfolgt ebenfalls innerhalb des Umformwerkzeuges. Abschließend erfolgen das Öffnen des Umformwerkzeuges und die Entnahme des fertigen Hohlformkörpers. Durch das Vorsehen mindestens eines dritten Einlegers kann die Steifigkeit des Hohlformkörpers vorteilhaft noch weiter erhöht werden. Einer der Einleger ist dabei so angeordnet, dass er als Stützkörper, insbesondere als Stützrippe, innerhalb des durch die weiteren Ein- leger gebildeten Hohlraums liegt. Die Einleger konsolidieren dabei in den Bereichen miteinander die nicht durch die Teilbereiche bzw. die Umformbereiche definiert sind.

Die Einleger können vor dem Umformschritt zumindest teilweise vorgewärmt werden, so dass sich die Flexibilität der Einleger erhöht. Die Vorwärmung kann durch Konvektionser- wärmung und/oder Infrarotstrahlung erfolgen. Vorzugsweise innerhalb eines Konvektions- und/oder innerhalb eines Infrarot-Durchlaufofens. Die Vorwärmung ermöglicht vorteilhaft die Umformgrade der Einleger (z.B. Organobleche) zu erhöhen. Die Einleger sind vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut und bestehen weiter vorzugsweise aus mehreren endlosfaserverstärkten Matten, die zu einem Einleger zusammengefasst sind.

Die verwendeten Trennmittel können als eine Folie, ein Gel, eine pastöse Masse oder ein fluides Medium ausgebildet sein. Die vorgenannten Trennmittel lassen sich einfach und zudem automatisiert auf die Einleger applizieren. Die Trennmittel lassen sich vorteilhafterweise sehr dünnflächig applizieren, so dass die Massengewichte des Trennmittels keinen nennenswerten Einfluss auf den gefertigten Hohlformkörper haben für den Fall, dass das Trennmittel nach Beendigung des Herstellverfahrens nicht aus dem Hohlraum entfernt werden kann oder soll.

Das Trennmittel kann als expandierbare Hülle ausgebildet sein. Das Trennmittel kann eine expandierbare Hülle sein. Die expandierbare Hülle kann insbesondere ein Schlauch (z.B. Folienschlauch) oder ein Ballonhülle sein. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung des Trennmittels kann die expandierbare Hülle sowohl das ungewollte Verbinden (insbesondere Verkleben) der Einleger verhindern, als auch die Formgebung in dem Umformwerkzeug unterstützen, indem die expandierbare Hülle mit einem druckgespeisten Fluid expandiert wird und die Einleger an die zugeordnete Werkzeugwandungen drückt. Durch ein Ablassen des Drucks bzw. des Fluids innerhalb der expandierbaren Hülle kann diese zudem in der Regel einfach aus dem Hohlformkörper entnommen und/oder wiederverwendet werden.

Das Trennmittel enthält vorzugsweise als Basiskomponente Silikon oder Teflon. Beide vor- genannten Basiskomponenten weisen gegenüber einer Vielzahl von Werkstoffen kein ad- häsives Verhalten auf und eigen sich daher besonders als Basiskomponenten des Trennmittels.

Die Faserverstärkung kann durch Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, und/oder Carbonfasern, und/oder Aramidfasern, und/oder polymeren Fasern, und/oder synthetischen Fasern und/oder aus Fasern von nachwachsenden Rohstoffen gebildet sein. Die Faserlänge innerhalb der Einleger weist dabei insbesondere einen Wert von mindestens 12 mm auf. Der Faservolumenanteil innerhalb der Einleger weist vorzugsweise einen Wert zwischen 15 und 50 % auf.

Die Einleger weisen vorzugsweise eine duroplastische oder eine thermoplastische oder eine elastomere Kunststoff matrix auf. Im Besonderen hat sich eine thermoplastische Matrix der endlosfaserverstärkten Einleger als geeignet gezeigt zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In dem Umformwerkzeug kann an dem Hohlformkörper randseitig ein umlaufender Kunst- stoffkeder durch Anspritzen im Spritzgussverfahren und/oder durch das zusätzliche Einlegen von GMT-Stücken und/oder durch eine Shot-Pot-Technik und/oder durch das Einlegen von Dichtschnüren und/oder durch das Einlegen einer Dichtfolie erzeugt werden. Der rand- seitig umlaufende Kunststoffkeder ermöglicht es einen homogenen Konsolidierungsdruck innerhalb des Umformwerkzeuges zu erzielen.

Der Hohlraum eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlformkörpers ist vorzugsweise allseitig geschlossen oder als Kanal mit geschlossener Wandung zum Transport eines Fluids und/oder zur Aufnahme von Kabeln, Schläuchen oder Drähten ausgebildet. Eine allseitig geschlossene Wandung des Hohformkörpers dient primär der Erzielung einer hohen Steifigkeit, insbesondere auf Torsions- und/oder Biegebelastungen. Weist der Hohlraum demgegenüber mindestens eine Öffnung nach außen auf können vorteilhaft zusätzliche funktionale Eigenschaften erfüllt werden, wie beispielhaft der Transport von Fluiden oder die Führung von Schläuchen oder Drähten innerhalb des Hohlraums.

Der erfindungsgemäße Hohlformkörper kann Teil eines Kraftfahrzeugsbauteils sein, wobei das Bauteil insbesondere eine Tür, ein Energieabsorber, ein Batteriegehäuse, ein Batterieträger, ein Stoßfänger, ein Biegeträger, ein Karosserieelement oder ein Schweller sein kann. Der Hohlformkörper, sowie das erfindungsgemäße Verfahren, kann ferner in industriellen Anwendungen, für Sportgeräte oder im Baubereich Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 2 einen weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 3 einen Hohlformkörper hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Fig. 4 einen weiteren Hohlformkörper hergestellt nach dem erfindungsgemäßen

Verfahren

Fig. 5 einen weiteren Hohlformkörper mit geschlossenen Hohlräumen hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

Fig. 6 einen weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 7 einen weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens

Die Figur 1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstel- lung von endlosfaserverstärkten Hohlformkörpern 11 umfassend die folgenden Schritte:

(a) (Draufsicht) Bereitstellen von im Wesentlichen flächig ausgebildeten endlosfaserverstärkten Einlegern 1 , 2, (b) (Draufsicht) Applikation eines Trennmittels 3 auf mindestens einen Teilbereich 4 der Oberfläche eines ersten Einlegers 1 , wobei der Teilbereich 4 im Wesentlichen dem Umformbereich eines nachfolgenden Umformschrittes zugeordnet ist, (c+d) (Seitenansicht) Positionierung eines zweiten Einlegers 2 auf dem ersten Einleger 1 derart, dass das Trennmittel 3 mindestens eine erste partielle Trennebene 5 zwischen den beiden Einlegern 1 , 2 definiert, (e) (Schnittdarstellung) Transfer der übereinander angeordneten Einleger 1 , 2 zwischen die mindestens eine Kavität 6a, 6b definierenden Werkzeugwandungen 7a, 7b eines Umformwerkzeuges 8,

(f) (Schnittdarstellung) Schließen des Umformwerkzeuges 8 und Umformung eines Ein- legers 2 mittels eines mit Vakuum beaufschlagten Mediums 9, so dass sich der Einleger 2 von der partiellen Trennebene 5 entfernt und an die ihm zugeordnete Werkzeugwandung 7a anlegt und zwischen den Einlegern 1 , 2 ein Hohlraum 10 gebildet wird, der durch die Kavität 6a, 6b des Umformwerkzeuges definiert wird. Im Folgenden (nicht näher dargestellt) erfolgt das Konsolidieren der Einleger 1 , 2 innerhalb des Umformwerkzeuges 8 und das Öffnen des Umformwerkzeuges 8, sowie die Entnahme des Hohlformkörpers 1 1. Als alternative Verfahrensvariante erfolgt die Positionierung eines zweiten Einlegers 2 auf dem ersten Einleger bereits innerhalb des Umformwerkzeugs 8. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Einleger 1 , 2 vor dem Umformschritt zu- mindest teilweise vorgewärmt, so dass sich die Flexibilität der Einleger 1 , 2 erhöht. Die Vorwärmung erfolgt durch eine Kombination durch Konvektionserwärmung und Infrarotstrahlung innerhalb eines Konvektions- und innerhalb eines Infrarot-Durchlaufofens. Das gezeigte Trennmittel 3 ist eine Folie 3 die als Basiskomponente Silikon enthält. Die Faserverstärkung ist durch Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, und durch Carbonfasern gebildet. Die mittlere Faserlänge innerhalb der Einleger 1 , 2 weist einen Wert von mindestens 50 mm auf. Die Einleger weisen eine thermoplastische Kunststoffmatrix aus PP, PA oder P BT/P ET auf.

Die Figur 2 zeigt schematisch den Ablauf eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Hohlformkörpern 11 umfassend die folgenden Schritte:

(Seitenansicht) Bereitstellen von im Wesentlichen flächig ausgebildeten endlosfaserverstärkten Einlegern 1 , 2 und Applikation eines Trennmittels 3 auf mindestens einen Teilbereich 4 der Oberfläche eines ersten Einlegers 1 , wobei der Teilbereich 4 im Wesentlichen dem Umformbereich eines nachfolgenden Umformschrittes zugeordnet ist, Positionierung eines zweiten Einlegers 2 auf dem ersten Einleger 1 derart, dass das Trennmittel 3 mindestens eine erste partielle Trennebene 5 zwischen den beiden Einlegern 1 , 2 definiert, sowie anschließend das Applizieren eines weiteres Trennmit- tel 13 auf einen weiteren Teilbereich 12 einer der Trennebene 5 abgewandten Seite eines Einlegers 2,

(b) (Seitenansicht) ein dritter Einleger 14 wird so auf dem einen Einleger 2 positioniert, dass das weitere Trennmittel 13 mindestens eine weitere partielle Trennebene 15 zwischen dem einen der beiden Einleger 2 und dem dritten Einleger 14 definiert, wobei der weitere Teilbereich 12 ebenfalls im Wesentlichen einem Umformbereich des nachfolgenden Umformschrittes zugeordnet ist,

(Schnittdarstellung) Transfer der übereinander angeordneten Einleger 1 , 2, 14 zwischen die eine Kavität 6a, 6b definierenden Werkzeugwandungen 7a, 7b eines Umformwerkzeuges 8,

(Schnittdarstellung) Schließen des Umformwerkzeuges 8 und Umformung der beiden Einleger 1 und 14 mittels eines mit Druck beaufschlagten Mediums 9, so dass sich die Einleger 1 , 14 von den partiellen Trennebenen 5 und 15 entfernen und an die ihnen zugeordneten Werkzeugwandungen 7a, 7b anlegen und zwischen den Einlegern 1 , 2, 14 Hohlräume 10a und 10b gebildet werden, die durch die Kavität 6a, 6b des Umformwerkzeuges 8 definiert sind. Im Folgenden (nicht näher dargestellt) erfolgt das Konsolidieren der Einleger 1 , 2, 14 innerhalb des Umformwerkzeuges 8 insbesondere im Randbereich der Einleger 1 ,2, 14 und das Öffnen des Umformwerkzeuges 8, sowie die Entnahme des Hohlformkörpers 11. Der zwischen den umgeformten Einlegern 1 , 14 liegende Einleger 2 verbleibt im Wesentlichen in seiner Ausgangsgestalt und sorgt als Rippe innerhalb der beiden Hohlräume 10 a, b für eine weiter verbesserte Versteifung und Verstärkung des erfindungsgemäßen Formhohlkörpers 1 1. Als alternative Verfahrensvariante erfolgt auch hier die Positionierung der Einlegers 1 , 2, 14 übereinander bereits innerhalb des Umformwerkzeugs 8. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Einleger 1 , 2, 14 vor dem Umformschritt zumindest teilweise vorgewärmt, so dass sich die Flexibilität der Einleger 1 , 2, 14 erhöht. Die Vorwärmung erfolgt durch eine Konvektionserwärmung innerhalb eines Konvektionsofens. Die gezeigten Trennmittel 3, 13 sind als pastöse Masse 3, 13 ausgebildet die als Basiskomponente Teflon enthält. Die Faserverstärkung ist durch Aramidfasern gebildet. Die mittlere Faserlänge innerhalb der Einleger 1 , 2, 14 weist einen Wert von mindestens 50 mm auf. Die Einleger weisen eine duroplastische Kunststoffmatrix aus Epoxy oder PU oder UP (ungesättigte Po- lyesterharze) auf. In dem Umformwerkzeug wird an dem Hohlformkörper randseitig ein umlaufender Kunststoffkeder 16 durch Anspritzen im Spritzgussverfahren und/oder durch das zusätzliche Einlegen von GMT-Stücken und/oder durch eine Shot-Pot-Technik und/oder durch das Einlegen von Dichtschnüre und/oder durch das Einlegen einer Dichtfolie erzeugt. Die Figur 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines mit dem in Figur 1 beschriebenen Verfahren hergestellten Formhohlkörpers 1 1. Der Hohlraum 10 ist als Kanal 10 mit geschlossener Wandung zum Transport eines Fluids und/oder zur Aufnahme von Kabeln, Schläuchen oder Drähten ausgebildet. Der Formhohlkörper 11 ist Teil eines Biegeträgers eines Kraftfahrzeuges.

Die Figur 4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines mit dem in Figur 2 beschriebenen Verfahren hergestellten Formhohlkörpers 1 1. Die Hohlräume 10 a, b sind als Kanäle 10 a, b mit geschlossener Wandung zum Transport eines Fluids und/oder zur Aufnahme von Kabeln, Schläuchen oder Drähten ausgebildet. Der Formhohlkörper 11 ist Teil einer Tür eines Kraftfahrzeuges. Der Einleger 2 dient als zusätzliche Versteifungsrippe innerhalb der Hohlräume 10 a, b. Der Hohlformkörper 11 weist randseitig einen umlaufenden Kunststoffkeder 16 auf der mittels einer mit dem Umformwerkzeug 8 gekoppelten Plastifizier- und Spritzeinheit in einem Spritzgussverfahren angeformt ist. Die Figuren 5a (dreidimensionale Darstellung) und Figur 5b (Seitenansicht) zeigen eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Formhohlkörpers 1 1 mit einer Vielzahl von Hohlräumen 10 a, b, c, d. Die Hohlräume 10 a, b, c, d sind allseitig geschlossen und weisen dementsprechend geschlossene Enden auf. Der gezeigte Formhohlkörper 11 kann aufgrund seiner besonders erhöhten Steifigkeit aufgrund der vollständig geschlossenen Hohlräume 10 a, b, c, d insbesondere als ein Energieabsorber eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die nicht näher dargestellten Trennmittel sind als ein fluides Medium ausgebildet. Die Trennmittel enthalten als Basiskomponente Silikon und verbleiben innerhalb der Hohlräume 10 a, b, c, d. Der Hohlformkörper 11 weist randseitig einen umlaufenden Kunststoffkeder 16 auf der mittels einer mit dem Umformwerkzeug 8 gekoppelten Plastifizier- und Spritzeinheit in einem Spritzgussverfahren angeformt ist.

Die Fig. 6a und die Fig. 6b zeigen schematisch und im Schnitt Teile des Ablaufs des erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Das Trennmittel 3 ist hierbei als expandierbare Hülle 3 in Form eines Folienschlauches ausgebildet. Die expandierbare Hülle 3 wird auf einen Teilbereich eines ersten Einlegers 1 appliziert und ein zweiter Einleger 2 so positioniert, dass die expandierbare Hülle 3 eine erste partielle Trennebene 5 zwischen den beiden Einlegern 1 ,

2 definiert. Die Einleger sind mehrschichtig aufgebaut und bestehen aus mehreren endlos- faserverstärkten Matten, die zu einem jeweiligen Einleger zusammengefasst sind. Nach

Schließen des Umformwerkzeuges 8 (vgl. Fig. 6b) wird ein offenes Ende der

expandierbaren Hülle 3 mittels eines Verschlusselementes 20 (z.B. ein Stopfen) fluiddicht verschlossen. In einem ergänzenden Verfahrensschritt wird ferner die expandierbare Hülle

3 mit einem druckgespeisten Fluid (durch Pfeil angedeutet) expandiert und die Einleger 1 , 2 an die zugeordnete Werkzeugwandungen 7a, 7b gedrückt (Expansionsdarstellungsprinzip vgl. Fig. 7). Durch ein Ablassen des Drucks bzw. des Fluids innerhalb der expandierbaren Hülle 3 kann diese einfach aus dem Hohlformkörper entnommen und wiederverwendet werden. In dem Umformwerkzeug 8 sind entsprechende Ausnehmungen im Bereich der Herausführungen der expandierbaren Hülle 3 (Folienschlauch) vorgesehen.

Die Fig. 7 zeigt im Vergleich zu der Fig. 6 ergänzend den eigentlichen Expansionsvorgang der expandierbaren Hülle 3. Im Vergleich zu der Fig. 6 sind die Einleger 1 , 2 einschichtig aufgebaut. Die expandierbare Hülle 3 ist zudem kein Folienschlauch, sondern als Ballonhülle 3 ausgebildet. Demgemäß kann hier auf ein Verschlusselement verzichtet werden.

- Patentansprüche -