用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的成形工具的制造方法与工艺

本发明涉及一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的成形工具以及一种用于制造这种塑料部件的方法。

背景技术：
上述类型的壳状的纤维增强塑料部件在大量技术领域中应用。例如在此提及机动车的结构部件领域。壳状的纤维增强塑料部件例如对于柱、承载件、碰撞元件、座椅等是必要的。考虑到高的件数，加工的自动化和高效性具有特别的意义。本发明的出发点为公知的成形工具(EP1301322B1)，所述成形工具具有上模具和下模具，将具有纤维垫的材料坯料放入到所述成形工具中。为了固定所述材料坯料，设置一个包围下模具的夹紧框架。在放入之后，材料坯料被用反应性基体树脂面覆盖地喷射，从而使得材料坯料被基体树脂浸润。最后，所述成形工具闭合以使得材料坯料成形。公知成形工具的问题在于如下事实：只能实现塑料部件的相对扁平的表面形状。特别是在具有大斜率和/或大高度差的表面几何结构的情况下始终出现褶皱形成的问题，因为材料坯料视成分而定具有织物状坯料的特性。在另一公知的成形工具中(DE19829352A1)将覆有基本上气密薄膜的材料坯料借助于压力空气压入或拉入到模具中。虽然由此即使在待制造塑料部件的表面内的倾斜区域中实现材料坯料的基本上均匀的压力加载，但是特别是由于需要基本上气密的薄膜而限制了构型自由度。此外，该成形工具的结构实现耗费及其运行耗费非常大。

技术实现要素：
本发明以所述问题为出发点，这样地设计并且改进公知的成形工具，使得可以设计结构简单的情况下实现具有纤维增强塑料部件的高斜率和/或大高度差的复杂表面几何结构。重要的是如下基本考虑，即，成形工具被分为一些成形段并且能够以段的方式或以段组的方式与所述材料坯料进行成形配合。这意味着，至少一个第一成形过程以至少两个步骤、也就是分段式或以段组的方式进行。材料坯料可通过成形工件的分段以预确定的顺序局部变形。所述段分别配置给待制造的塑料部件的一个表面区域并且确定了该表面区域的表面几何结构。利用这种分段可在相应设计的情况下实现与材料坯料的有针对性的成形配合，由此能够以多种方式反作用于材料坯料中的褶皱形成。在一个特别优选的构型中提出，所述成形工具与所述材料坯料之间的配合区域在成型过程期间以段的方式或以段组的方式向着所述材料坯料的边缘扩宽。这以第一近似相应于材料坯料向着其边缘的“抚平”，即使没有必要进行沿着材料坯料表面的抚平运动。在试验中发现，成形段与材料坯料的上述按顺序触发的配合即使在塑料部件的表面几何结构复杂时也有效防止褶皱形成。已经知道，在狭义上具有沿着材料坯料表面的抚平运动的光滑抚平对于良好的成形结果不是一定必须的。在一个特别优选的构型中，成形段与材料坯料的按序触发的配合能够以特别简单的方式实现。在此重要的是如下事实，所述段弹动地设置在承载部件上。在成形过程中，成形配合以段的方式或以段组的方式进行，这与相应段的回弹相关。所述回弹又导致谢谢下一个段或相应下一组段与所述材料坯料进行配合。通过该构型能够以可设想的简单方式事实所述段与材料坯料的按序触发的配合。在一个进一步优选的构型中，成形过程分为两部分。相应地，在第一步骤中在所述段回弹期间进行预成形。在所述段碰到止挡之后，利用比预成形时作用在所述段上的弹簧力相对高的配合力进行最终成形。根据另一同样具有独立意义的教导，要求保护一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件的方法。在所建议的方法中首先将材料坯料放入到成形工具中，所述成形工具优选涉及上述所建议的成形工具。相应地，在放入后所述成形工具与材料坯料进行成形配合。所述材料坯料基本上由纤维材料构成。根据该教导重要的是如下事实：成形工具能够以段的方式或以段组的方式与所述材料坯料进行成形配合。对此请参阅所有对于所建议的成形工具阐述的适合于阐述所建议的方法的实施例。附图说明下面借助于仅仅表示实施例的附图详细阐述本发明。附图中分别非常示意性地示出：图1是所建议的工具a)在材料坯料放入的情况下与该材料坯料成形配合之前b)在预成形期间c)在最终成形期间的竖直剖面图，图2是图1中视图A的所建议的成形工具的上模具，图3是另一建议的成形工具a)在预成形期间b)在最终成形期间的竖直剖视图。具体实施方式附图中示出的符合建议的成形工具用于实施符合建议的用于制造基本上壳形的纤维增强塑料部件1的方法。对于塑料部件1可考虑不受限制数量的构型。对此的实例在说明书引言部分中给出。所建议的成形工具配备有上模具(上阴模)2和下模具(下阴模)3，其中，材料坯料4能够以通常的方式放入到该成形工具中并且所述成形工具接着能够与所述材料坯料4进行成形配合。为此，该成形工具闭合，优选上模具2进给到下模具3上。图1中示出材料坯料4的成形过程。材料坯料4在此基本上是纤维材料。所述纤维材料可以涉及任何纤维材料，特别是涉及GFK-垫或CFK-垫。然而在特别优选的构型中，材料坯料涉及用基体树脂浸渍的纤维材料，也就是涉及预浸-材料。优选所述预浸-材料涉及CFK-织物-预浸-材料。原则上所述预浸-材料可根据应用情况涉及任意的热固性或热塑性预浸-材料或涉及或具有热塑性结合剂部分的干纤维叠层或-织物。所建议的成形工具原则上可用于制造塑料部件1，所述塑料部件在下一方法步骤中借助于压缩工具压缩并且在热影响下硬化。于是，用所建议的成形工具制造的塑料部件1涉及所谓的“预制坯件”。但是也可以考虑的是，所建议的成形工具在压缩并且必要时冷却塑料部件1时就已经被使用。在所示的并且就此而言优选的实施例中，其涉及预制坯件的制造，但这不应理解为是限制性的。现在关键的是，成形工具、在此并且优选所述成形工具的上模具2分为一些成形段5-7。为了显而易见起见，将这些段5-7在图2中组合成总共三个段-密集体。第一密集体包括中央段5，所述中央段关于其余的段6、7设置在中心。第二密集体通过围绕所述中央段5分布的段6.1、6.2、6.3和6.4构成。最后，段7.1-7.14位于外部。所建议的成形工具的上模具2在此并且优选总共包括十九个单个的成形段。现在进一步关键的是，成形工具、在此是该成形工具的上模具2能够分段式地与材料坯料4进行成形配合。在此也可以提出，以段5-7的组的形式进行成形配合。利用所建议的成形工具可以实现单个的段5-7与材料坯料4的有针对性的成形配合。在特别优选的构型中，该成形配合可被这样控制，使得成形工具与材料坯料4之间的配合区域在成型过程的过程中以段方式、必要时也能够以段5-7的组的方式向着材料坯料4的边缘4a扩宽。这在图2所示的段5-7的情况下优选意味着：首先中央段5、接着所述段6.1-6.4并且最后所述段7.1-7.14与材料坯料4进行成形配合。所述段5-7与材料坯料4的配合的按序触发导致材料坯料4的上面提及的光滑抚平效应。在图2中用参考标号8表示从内向外、也就是从中央段5向材料坯料4的相应边缘4a的光滑抚平方向。感兴趣的是如下事实：光滑抚平效应特别是在由预浸-材料的材料坯料4的情况下被证实是有利的。这种预浸-材料具有一定的延展性，这在褶皱形成的情况下会导致显著的表面误差。在试验中利用所建议的成形工具在预浸材料坯料的情况下显示出特别出色的光滑抚平效应。为了支持该效应并且特别是为了改善材料坯料4的可成形性，材料坯料4优选在放入到成形工具中之前还被加热。图2示出所述段5-7直接彼此相邻并且共同构成成形工具的模具2、在此构成上模具2。配对模具3在此并且优选涉及下模具3，其在设计结构简单的意义上在所示的实施例中不分段地构成。但是也可考虑的是，替代或附加地使下模具3分段。原则上足够的是，配合区域的为了实现光滑抚平效应的上述扩宽在仅仅一个唯一的方向上进行。但是在此并且优选的是，这可以向着材料坯料4的所有边缘进行。相应地，在成形工具的相应造型面、在此在上工具2的造型面的俯视图中使至少一部分成形段5-7布置在环中，所述环分别以第一近似沿着材料坯料4的边缘4a延伸。在图2所示的实施例中，中央成形段5被由所述段6.1-6.4构成的第一环包围。该第一环被由成形段7.1-7.14构成的另一环包围。在特别优选的构型中，现在首先使内环的段并且接着使外环的段与材料坯料4进行成形配合以实现期望的光滑抚平效应。在此显而易见的是，所述环具体具有什么形状是无关紧要的。图1示出特别简单的设计结构，利用其可实现所述成形段5-7的按序配合。在此首先重要的是，成形工具具有至少一个可进给到放入的材料坯料4上的承载部件9，所述段5-7设置在所述承载部件9上。原则上可考虑的是，所述段5-7可通过单个的促动器相对于承载部件9调节。但是，通过使所述段5-7相对于承载部件9在此并且优选可抵抗弹簧力调节则可实现特别简单的布置结构。在图1所示的并且就此而言优选的实施例中，所述段5-7可沿着进给方向10、特别是逆着进给方向10相对于承载部件9调节。在该情况下，在此并且优选给每个段5-7都配置至少一个弹簧装置，所述弹簧装置在图1中对于两个段5、6.1示例性地用参考标号“11”表示。现在这样进行布置，即，一个段5-7或一组段5-7在所述承载部件9进给到所述材料坯料4上时与所述材料坯料4进行配合并且在此回弹，通过所述回弹使得相应下一个段5-7或相应下一组段5-7与所述材料坯料4进行配合，在图2所示的上模具2的情况下这意味着：在承载部件9在进给方向10上第一进给时所述中央成形段5与材料坯料4配合(图1b))。在承载部件9进一步进给时，通过材料坯料4引起逆着进给方向的足够反作用力，从而使得中央成形段5回弹并且下一成形段5-7、在此是成形段6.3与材料坯料4配合。最后，在承载部件9进一步进给并且中央成形段5回弹并且现在成形段6.3也相应回弹的情况下，后面的成形段6.1与材料坯料4配合。在承载部件9继续进给的情况下，其余的段5-7按顺序与材料坯料4相应地配合，从而总体上得到上述光滑抚平效应，而不必采取费事的控制技术措施。总体上简单地通过各个段5-7的按序回弹就得到光滑抚平效应。在图1所示的结构性解决方案中感兴趣的是如下事实：各个段5-7的弹簧预紧力可以不同地选择，从而必要时可给出局部不同的配合力。这也可以在相应设计的情况下反作用于材料坯料4中的褶皱形成。在图1和2示出的并且就此而言优选的实施例中，至少一个段5-7、在此并且优选所有的段5-7的回弹沿着进给方向10进行。但是替代或附加地也可以规定，至少一个成形段12相对于承载部件9的回弹相对于进给方向10以一个角度进行。这在图3中示例性示出。已经表明，所述角度应在约95°至约170°之间的范围内运动。在图3示出的并且就此而言优选的实施例中，中央成形段13又可沿着进给方向10弹动地调节。这可以从图3a)和3b)的结合中看出。在中央成形段13中设置一个可相对于进给方向10有角度地调节的成形段12，其在此被称为“下压滑移件”。下压滑移件12在图3所示的实施例中可以在中央成形段13内部沿着滑移方向14移动。在中央成形段13回弹时，下压滑移件12沿着一个倾斜平面15a移动，所述倾斜平面通过设置在承载部件9上的驱动构件15构成。这导致下压滑移件在滑移方向14上的同时调节，并且在与材料坯料4配合的同时将力作用沿着材料坯料4的表面施加在材料坯料4上，这等同于在狭义上用相应的抚平运动使材料坯料4平滑。在此并且优选设置两个下压滑移件12，其相对于竖直平面镜像对称地设置。驱动构件25以相应的方式也配备有两个倾斜平面15a，所述倾斜平面分别与所述下压滑移件12之一相互作用。从图3中所示的实施例中得出，能够以结构上特别简单的方式实现不同调节方向的成形段13、14的组合。在相应设计的情况下可以无褶皱地制造待制造的塑料部件1的几乎任意的表面几何结构。特别是也可以考虑利用上述下压滑移件12实现具有侧凹的表面几何形状。在所示的实施例中，材料坯料4在所述段5-7回弹期间的成形涉及利用相对小的配合力使材料坯料4“预成形”，在其后跟随着材料坯料4的利用相对高的配合力进行的最终成形。为此提出，所述段5-7的回弹分别朝着止挡16进行，所述止挡在此并且优选由所述承载部件9构成。相应地，在回弹期间可进行所述材料坯料4的预成形并且只有在达到相应的止挡16之后可进行材料坯料4的最终成形。在最终成形时在此并且优选所有的段5-7都贴靠在止挡16上，在图1c)中示出所述最终成形。视所建议的成形工具在生产过程的哪个区段中使用而定，可有利的是，对于所述段5-7设置加热装置和/或冷却装置，从而使得所述段5-7可被相应地加热或冷却。在特别优选的构型中，所述加热或冷却可以分段进行或者在任何情况下以段组的方式进行。加热可用于使材料坯料4变柔性或者必要时局部硬化，而通过所述段5-7必要时的局部冷却可实现材料坯料4的变硬和成形后的材料坯料4与成形工具的造型面的良好脱离，而不进行材料坯料4的化学激活。这种变硬特别是对于必要时以上述方式成形的材料坯料4的自动操作可以是有利的。如果材料坯料4如优选的那样涉及预浸-材料，则所述加热或冷却可具有特别重要的意义。在这种预浸-坯料的情况下，通过针对性的加热或针对性的冷却一方面可控制刚度并且另一方面可控制必要时局部的硬化。在具有热塑性成分的干纤维叠层的情况下，所述有针对性的加热被用来使构件稳定。在随后的过程中，干纤维叠层通过例如RTM过程用树脂浸润并且硬化。对于模具2替代或附加地，配对模具3、在此是下模具3可具有加热装置和/或冷却装置，从而下模具3可相应地被加热或冷却。图1中示出的成形工具还示出一个特别之处，其特别是在大面积的材料坯料4的情况下是有利的。在此给下模具3配置至少一个可调节的段17，其在本例中被称为“防皱保持件”。防皱保持件17可进给到材料坯料4上并且防止在将材料坯料放入到成形工具中之后该材料坯料4由于重力而下垂。在此并且优选防皱保持件在材料坯料4的方向上朝着未示出的止挡预加载，其中，伴随着所述上模具2到材料坯料4上的进给而来的是材料坯料4在所述模具2的第一成形段5与所述防皱保持件17之间的第一压紧(图1b))，并且在所述上模具2进一步进给时所述防皱保持件17在此并且优选完全回弹到下模具3中(图1c))。有利的是，防皱保持件17负责在中央段5配合期间不出现褶皱形成。所建议的成形工具确保高的过程稳定性，而不必特别是在放入材料坯料4时进行校正。相应地，优选设置一个用于操纵材料坯料4的操作器具18，特别是用于将材料坯料4放入到成形工具中。对此合适的是简单的、为了操作而可移动的夹紧框架，材料坯料4可借助于真空抓取器19固定在所述夹紧框架上。借助于夹紧框架18可以将材料坯料4以简单的方式定位在成形工具中，其中，该定位在此并且优选在成形工具的两个模具2、3之间进行。在材料坯料4借助于操作器具18定位后，使真空抓取器19不起作用，从而材料坯料4“浮动式”地放入成形工具中。术语“浮动式”意味着：材料坯料4在图1中可侧向自由移动，从而在成形配合期间材料坯料4的边缘4a的材料可以向着相应当前的配合区域推进。根据一个另外的同样具有独立意义的教导，要求保护一种用于制造基本上壳状的纤维增强塑料部件1的上述方法，该方法有利地利用所建议的成形工具实施。对此请参阅上面所有适合于描述所建议的方法的、针对所建议的成形工具的运行的描述。还需指出的是，所建议的方法和所建议的成形工具可以在多级工艺的框架内采用。在高复杂的构件的情况下可以在相同的下模具3的情况下采用顺序不同的分别具有不同的成形段5-7的上模具2。此外，可以在下模具3相同的情况下引入不同的层或嵌入件并且利用新层和不同的上模具2使它们进一步成形。于是在最后一个步骤中将优选冷却过的材料坯料2从下模具3中取出并且优选放入到硬化工具中以进行硬化。所有提到的工作步骤优选可以自动实施。