DE19721378A1 - Verfahren zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbundelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbundelementen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbundelementen durch Aufbringen von Kunststofflagen (Laminieren) auf der Ober- und der Unterseite flächig ausgebildeter Metallkerne (Metallstäbe) werden Thermoplaste und Duroplaste als Verbindungsschichten so­ wohl der Kunststoffgewebelagen untereinander, als auch zur Ver­ bindung der Gewebepakete mit dem Metallkern benutzt.
Neben dem Vakuum-Sack-Verfahren wird auch die Pressentechnik für die Fertigung solcher Werkstücke eingesetzt (beide Verfahren prinzipiell beschrieben z. B. in Fleming, M.; Ziegmann, G.; Roth, S.; Faserverbundbauweisen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1996).
Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß sie zum Fügen insbesondere nicht ebener, winkelbehafteter Elemente, Formelemente als Ober und Unterformen zur Einstellung der gewünschten Teilegeometrie benutzen. Ferner wenden beide Verfahren als gemeinsames Kriteri­ um die Methode der mittelbaren Einbringung der zum Prozeßablauf erforderlichen thermischen Energie an. Zudem muß nach Reaktions­ abschluß die Wärme des gesamten. Aufbaus Werkstück/Formelemente im Rahmen des Abkühlzyklus nach außen abgeführt werden.
Beim Vakuum-Sack-Verfahren werden die lose zusammengefügten Ein­ zellagen des späteren Verbundkörpers in formenden Vorrichtungen fixiert und durch Evakuieren des sie vollständig überdeckenden Vakuumsacks über textile Hilfselemente mit einer Druckkraft be­ aufschlagt. Nach dieser vorbereitenden Phase wird das Gesamtar­ rangement entweder durch Heizplatten oder durch Einbringen in einen geschlossenen Ofenraum erwärmt.
An den Erwärmzyklus mit einer maximalen Prozeßtemperatur von ca. 200°C schließt sich, insbesondere bei Thermoplasten, unmittel­ bar ein Abkühlzyklus unter weiterhin wirksamem Druck an, welcher der Stabilisierung des Formlings dient.
Bei der Teileherstellung durch die Pressentechnik wird der not­ wendige Druck durch eine Presse (hydraulisch, pneumatisch, me­ chanisch) erzeugt. Die Einzellagen des späteren Werkstücks wer­ den im Falle nicht ebener Gestalt in Preßformen (Ober- und Un­ terform) fixiert.
Die Form selber wird entweder mittels Elektroheizplatten oder durch ein wärmeübertragendes Fluid beheizt. Kühleinrichtungen dienen zur Realisierung des Abkühlzyklus.
Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten der Wärmeleitung und des Wärmeübergangs sind die beiden zitierten Verfahren durch re­ lativ lange Erwärm- und Abkühlzyklen gekennzeichnet. Das zieht relativ lange Prozeßzeiten mit relativ geringem Werkstückdurch­ satz pro Zeiteinheit und Fertigungsaggregat nach sich.
Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf einfache Weise eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Laminiervor­ gangs, insbesondere auch bei der Herstellung nicht ebener Werk­ stücke mit Metallkern, beispielsweise solcher wie in der EP 0 732 234 A2 beschrieben, erreicht werden kann.
Durch die unmittelbare Erwärmung des Metallkerns wird dessen thermische Energie zum Verkleben desselben mit den in der Regel elektrisch nicht leitenden und zweckmäßigerweise vorgefertigten Ober- und Unterschalen (Lagenpakete aus Kunststoff, miteinander verklebt) benutzt.
Die thermische Energie des Metallkerns schmilzt die thermopla­ stische oder duroplastische Klebmasse, in der Regel als Folie ausgebildet, die sich zwischen Metallkern und Ober- bzw. Unter­ schale befindet, auf. Die Klebefolie kann hierbei bereits Be­ standteil der vorgefertigten Ober- und Unterschale sein und so­ wohl mit dem eigentlichen Matrixmaterial identisch als auch un­ terschiedlich zu diesem sein. Durch einen äußeren Druckaufbau, weckmäßigerweise durch eine Presse, werden die drei Teilelemen­ te des Werkstücks, Oberschale, Unterschale und Metallkern, form- und kraftschlüssig miteinander verbunden.
Neben der Erwärmphase wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch die anschließende Abkühlphase des Prozesses gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert. Während bei dem bekannten zitierten Verfahren entsprechend dem Stand der Technik die ther­ mische Energie des Gesamtsystems Formen-Gesamtwerkstück abge­ führt werden muß, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ledig­ lich die Wärmeenergie des zuvor auf Prozeßtemperatur erwärmten Metallkerns abzuführen. Da letztere aus Massegründen um Größen­ ordnungen geringer ist als im ersten Fall, ergeben sich dement­ sprechend auch deutlich verkürzte Zyklusdauern.
Als ein weiterer positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist die deutlich reduzierte Neigung zur Relativbewegung ("Verschwimmen") zwischen den drei Komponenten Oberschale, Un­ terschale und Metallkern zu nennen, wodurch Maßgenauigkeit und Fertigungssicherheit erhöht werden.
Zur Vermeidung von den Klebvorgang negativ beeinflussenden Kontaminierungen des Metallkerns sollten als Energiequelle zur Metallkernerwärmung vorzugsweise elektrische Verfahren dienen, wie der direkte geregelte Stromdurchgang (resistive Erwärmung) oder die geregelte Hochfrequenzerwärmung (Erzeugen von Wirbel­ strömen im Metallkern). Diese beiden elektrischen Erwärmarten erlauben eine Druckbeaufschlagung der zu verklebenden Komponen­ ten auch in der Erwärmphase selbst. Es kann somit ein Parallel­ prozeß realisiert werden.
Anhand der schematischen Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Möglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine andere Möglichkeit des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.
In der Fig. 1 ist das Prinzip des Parallelprozesses, Erwärmen bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung für ein Verfahren mit re­ sistiver Erwärmung dargestellt.
In ein Formelement 1, das aus Oberform 1.2 und Unterform 1.3 be­ steht, ist ein zu laminierendes Werkstück 2, bestehend aus Ober­ schale 2.1, Metallkern 2.2 und Unterschale 2.3 eingelegt. Der Metallkern 2.2 ist als winkelförmiger Stab ausgebildet. Die Län­ ge des Metallkerns 2.2 ist so bemessen, daß seine Enden 4 aus der Oberschale 2.1 und Unterschale 2.3 herausragen, um Kontakt­ klemmen 5 eines elektrischen Stromkreises 6 aufnehmen zu können. Über den Regler 6.1 wird der Stromkreis 6 entsprechend dem vor­ gegebenen Zeit-Temperatur-Verlauf im Metallkern 2.2 geschaltet. Der Soll-Ist-Vergleich des Regelkreises wird mittels des Thermo­ fühlers 6.2 realisiert. Die Druckkraftbeaufschlagung des Werk­ stücks 2 erfolgt durch die druckerzeugende Komponente 7. Die Elemente 2.4 stellen den folienartig ausgebildeten Klebstoff dar.
Die Fig. 2 zeigt das Prinzip des Parallelprozesses, Erwärmen bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung für ein Verfahren mit induk­ tiver Erwärmung.
Auch bei dieser Verfahrensweise wird ein zu laminierendes Werk­ stück 2, bestehend aus Oberschale 2.1, Metallkern 2.2 und Unter­ schale 2.3 in ein Formelement 1, das aus Oberform 1.2 und Unter­ form 1.3 besteht, eingelegt. Die Elemente 2.4 stellen den foli­ enartig ausgebildeten Klebstoff dar. Der Metallkern 2.2 ist als winkelförmiger Stab ausgebildet. Ein Induktor 8 bzw. 9 ist so ausgebildet, daß er vollständig in Oberform 1.2 und Unterform 1.3 integriert die erforderliche Druckkraft 7 des Prozesses zu übertragen gestattet. Ein HF-Generator 10 im Stromkreis 6 wird mittels des Reglers 6.1 bezüglich seiner abgegebenen Leistung so geregelt, daß im Metallkern 2.2 der gewünschte Zeit-Temperatur- Verlauf entsteht. Die aktuelle Temperatur des Metallkerns 2.2 wird durch den Thermofühler 6.2 gemessen und die entsprechende elektrische Größe dem Regler 6.1 zugeführt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbund­ elementen, bestehend jeweils aus einem Metallkern und beidseiti­ gen Kunststoffauflagen, wobei die Kunststoffauflagen in einem entsprechenden aus Ober- und Unterform bestehenden formelement mittels Einwirkung von thermischer Energie und Druckbeaufschla­ gung mit dem Metallkern verklebt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern durch einen geregelten Stromdurchgang elek­ trisch auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur erwärmt wird, wo­ bei die entstandene Wärme zum definierten Aufschmelzen des Kle­ bemittels zwischen Metallkern und den mit ihm zu verbindenden Kunststoffauflagen benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern innerhalb des Formelementes erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern außerhalb des Formelementes erwärmt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern mittels einer resistiven Erwärmung durch elektrische Ankopplung an dessen aus dem Formelement seitlich herausragenden Enden erwärmt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern mittels einer induktiven Erwärmung des Me­ tallkerns durch einen in das Formelement integrierten Induktor erwärmt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Heizstromkreises mittels Regler und Thermo­ fühler durchgeführt wird.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 6 bei profilierten Metallkernen.
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