DITTMAR, Harri (Maiackerstrasse 3, Neuheim, CH-6345, CH)
| Patentansprüche 1 . Spritzgussverfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Einspritzen einer Thermoplastschmelze in ein Formwerkzeug, gekennzeichnet durch folgen- de Schritte: A. ein flächiger Zuschnitt (14) mit zwei oder mehreren Fasergeweben oder -gelegen, die ein- oder beidseitig mit einer Wirrfaserlage verbunden und mit einem thermoplastischen Kunststoff getränkt sind, wird über die Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt, B. der Zuschnitt wird an eine der beiden Innenwände (16, 18) des Formwerkzeugs angelegt, C. das Werkzeug wird zugefahren, so dass der Zuschnitt verdichtet wird und die an den beiden Innenwänden anliegenden Randbereiche der Zuschnitte verfestigt werden und dort anhaften, D. das Werkzeug wird auf die gewünschte Weite wieder geöffnet und die Thermoplastschmelze wird eingespritzt, E. der Thermoplast wird abgekühlt, das Werkzeug geöffnet und das gebildete Bauteil (24) entnommen. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten D und E das Werkzeug wieder teilweise zugefahren wird, um durch diesen weiteren Schliesshub die Thermoplastschmelze im Zuschnitt zu verteilen. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten A und D die Zuschnitte auf Grund von Rückstell kräften der Wirrfa- serlagen um den Faktor 1.2 bis 5 senkrecht zur Zuschnitt- Ebene aufgeweitet werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Zuschnitt zwei oder vier Glasfasergewebe oder -gelege enthält, die beidseitig mit einer Wirrglasfaserlage vernadelt sind oder einseitig auf der der Werkzeuginnenwand abgewandten Seite mit einer Wirrglasfaserlage vernadelt und vorzugsweise auf der anderen Seite mit einem dünnen Glasfaservlies laminiert sind. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt im Wesentlichen die Form des späteren Bauteils hat. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt aus Einzelstücken oder Streifen gebildet ist. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Werkzeuginnenwand (16) nach innen ragende Nadeln, Stifte oder Dorne (8) angebracht sind, die den im Schritt B eingelegten Zuschnitt durchstechen und diesen dadurch an der Innenwand fixieren, und dass im Schritt C diese Nadeln, Stifte oder Dorne wieder zurückgezogen werden. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt D eingespritzte Thermoplast Kurzfasern und/oder mine- rausche Füllstoffe und/oder Treibmittel enthält. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zuschnitt und in der eingespritzten Schmelze jeweils der gleiche thermoplastische Kunststoff enthalten ist. -U 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff Polypropylen ist. 11. Bauteile in Form von ebenen, gebogenen, gekrümmten oder abgeknickten Platten (24) mit einer Wanddicke von 3 bis 20 mm, umfassend eine Wirrfaserlagen enthaltende Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff und an beiden Aussenseiten als Verstärkung ein Glasfasergewebe oder - gelege, das jeweils mit der angrenzenden Wirrglasfaserlage der Kernschicht vernadelt ist und den gleichen thermoplastischen Kunststoff wie die Kernschicht enthält. 12. Bauteile nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht Kurzfasern und/oder mineralische Füllstoffe enthält und/oder geschäumt ist. 13. Verwendung der Bauteile nach Anspruch 11 oder 12 als strukturelle Automobilteile. |
Die Erfindung betrifft ein Spritzgiessverfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Automobilteilen, durch Einspritzen einer Thermoplastschmelze in ein Formwerkzeug, sowie nach diesem Verfahren herstellbare Bauteile.
Die hier betrachteten Bauteile haben im Allgemeinen die Form einer ebenen, gebogenen, gekrümmten oder abgeknickten Platte, deren Kanten gerade oder abgerundet sein können. Sie können auch Verstärkungsrippen, Durchbrüche und Befestigungsstellen aufweisen. Es ist auch möglich, dass zwei Platten durch Stege oder Streben miteinander verbunden sind, so dass sie eine Vorder- und eine Rückwand ausbilden.
Automobilteile werden vielfach durch Sphtzgiessen von thermoplastischen Kunststoffen hergestellt. In vielen Fällen ist es notwendig, das Bauteil zu verstärken, um seine Steifigkeit und Festigkeit bei Crashbelastung zu erhöhen. Man hat deshalb schon versucht, in das Werkzeug Endlosfasern enthaltende Kunststoffzuschnitte einzulegen. Dabei hat es sich aber gezeigt, dass die Haftung der Zuschnitte an dem eingespritzten Thermoplasten unzureichend ist und dass es schwierig ist, die Zuschnitte an den Innenwänden des Werkzeugs zu fixieren. Damit verzugsfreie Bauteile entstehen, müssen dabei zwei Zuschnitte in das Werkzeug eingelegt werden, was verfahrenstechnisch schwierig ist.
Die EP 0 378 854 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Faserver- bundmaterials, wobei eine einzelne Fasermatte in einem geschlossenen Werkzeug mit einem Kunststoffmaterial imprägniert wird. Dann werden die Werkzeughälften auseinandergefahren, wobei sich im Innern der Fasermatte Hohlräume bilden. In diese kann auf recht komplizierte Weise ein geschmolzenes polymeres Material eingespritzt werden Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu beheben. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Spritzgiessverfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Einspritzen einer Thermoplastschmelze in ein Formwerkzeug gelöst, welches folgende Schritte aufweist:
A. ein flächiger Zuschnitt mit zwei oder mehreren Glasfasergeweben oder gelegen, die ein- oder beidseitig mit Wirrfaserlagen verbunden und mit einem thermoplastischen Kunststoff getränkt sind, wird etwas über die Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt,
B. der Zuschnitt wird an eine der beiden Innenwände des Werkzeugs angelegt,
C. das Werkzeug wird zugefahren, so dass der Zuschnitt verdichtet wird und die an den beiden Innenwänden anliegenden Randbereiche des Zuschnitts verfestigt werden und dort anhaften,
D. das Werkzeug wird auf die gewünschte Weite wieder geöffnet, wobei der Kern des Zuschnittes wieder expandiert, und die Thermoplastschmelze wird eingespritzt,
E. das in obigen Schritten gebildete Bauteil wird abgekühlt und nach Öffnen des Werkzeuges entnommen. Die Erwärmung über die Erweichungstemperatur hinaus ist deshalb erforderlich, weil der Zuschnitt beim Transport vom Ofen in das Werkzeug etwas abkühlt.
Die Zuschnitte bestehen aus zwei oder mehreren Glasfasergeweben oder Glasfasergelegen, die mit Wirrfaserlagen vernadelt sind. Dabei können die Gewebe bzw. Gelege ein- oder beidseitig mit einer Wirrfasermatte verbunden, vorzugsweise vernadelt sein, oder auf das Gewebe bzw. Gelege können ein- oder beid- seitig Glasfaser-Rovings aufgestreut und vernadelt worden sein. Es ist auch möglich, Zuschnitte einzusetzen, bei denen auf das Gewebe bzw. Gelege eine Fasermatte oder ein Glasfaservlies, z.B. mit einem Flächengewicht von 20 bis 200 g/cm 2 , auflaminiert wurde. In letzteren Fall wird der Zuschnitt in das Werk- zeug so eingelegt, dass das Vlies aussen zu liegen kommt. Dies ergibt im fertigen Bauteil eine glatte Oberfläche. Es können auch zwei oder mehrere Gelege im 90°- oder 45°- Winkel übereinander gelegt sein. Vor dem Tränken mit dem Kunststoff haben die mit den Wirrfaserlagen verbundenen Gewebe bzw. Gelege vorzugsweise ein Flächengewicht von 300 bis 2000 g/m 2 . Sie wurden auf übliche Weise, z.B. auf einer Doppelbandpresse mit einem thermoplastischen Kunststoff getränkt und dabei verdichtet, insbesondere mit Polypropylen, daneben können auch Polyamide, Polyester oder hochtemperaturbeständige Thermoplasten verwendet werden. Bevorzugte Fasern sind Glasfasern, daneben sind auch Kohlenstofffasern und Aramidfasern, sowie Hybridfasern aus Glas- und Thermo- plastfasern geeignet. Die Dicke der Zuschnitte kann zwischen 1.2 und 8 mm, vorzugsweise zwischen 1.5 und 5 mm liegen. Besonders bevorzugte Zuschnitte enthalten zwei oder vier Glasfasergewebe oder -gelege, die beidseitig mit einer Wirrglasfaserlage vernadelt sind oder einseitig mit einer Wirrglasfaserlage vernadelt und vorzugsweise auf der anderen Seite mit einem dünnen Glasfaservlies laminiert sind. Besonders gut geeignet sind Zuschnitte aus GMTex der Fa.
Quadrant Plastic Composites AG.
Die Zuschnitte werden dort in das Werkzeug eingelegt, wo im späteren Bauteil Bereiche hoher Belastung sind. Sie können im Wesentlichen die Form des spä- teren Bauteils haben und werden dann vollflächig in das Werkzeug eingelegt, oder man kann kleinere Einzelstücke oder ein, zwei oder mehrere streifenförmige Zuschnitte einer Breite von beispielsweise 5 bis 20 cm an eine Innenseite des Werkzeugs einlegen, je nachdem wo die Verstärkung des Bauteils erforderlich ist. -A-
AIs Werkzeug kann ein übliches Sphtzgiess- oder Spritzprägewerkzeug verwendet werden, das verschieden geformt sein kann. Beispielsweise können die beiden Werkzeughälften eben sein; es können jedoch - je nach der gewünschten Form des Bauteils - auch gekrümmte oder abgeknickte Werkzeuge verwendet werden. Ferner können Bereiche des Werkzeugs, die mit den Zuschnitten bedeckt werden sollen, als bewegliche Einheiten im Werkzeug ausgestaltet sein, wobei dann über bewegliche Kerne oder Schieber der Verdichtungshub ausgeführt wird und nicht das gesamte Werkzeug geschlossen und wieder teilgeöffnet wird. Vorzugsweise werden horizontal schliessende Werkzeuge verwendet, man kann aber grundsätzlich auch vertikal schliessende Spritzgiess- oder Spritzprägemaschinen anwenden, wobei die Zuschnitte in der unteren Werkzeughälfte platziert werden und aufgrund der Schwerkraft in dieser Position verbleiben. Ferner ist es denkbar, eine konventionelle Presse zu verwenden, der ein Spritzaggregat beigestellt ist.
Im ersten Verfahrensschritt A wird der Zuschnitt auf eine Temperatur knapp über den Erweichungsbereich des Thermoplasten aufgeheizt. Dabei werden bei der bevorzugten Ausführungsform die Zuschnitte auf Grund der Rückstellkräfte der vernadelten Wirrfaserlagen zum Beispiel um den Faktor 1.2 bis 5, vorzugsweise 1.5 bis 4, senkrecht zur Zuschnitt-Ebene aufgeweitet. Dabei bilden sich Luftporen und Kanäle in der weichen Matrix.
Im zweiten Verfahrensschritt B wird der Zuschnitt an eine der beiden Innenwände des offenen Werkzeugs angelegt. Dabei sollte er vorzugsweise so eingelegt werden, dass er auf mindestens der der Werkzeuginnenwand abgewandten Seite mit einer Wirrfaserlage vernadelt ist. Dadurch wird erreicht, dass der in dieser Wirrfaserlage enthaltene Thermoplast sich mit der im Schritt D eingespritzten Thermoplastschmelze vermischt, wodurch eine gute Haftung des Zuschnitts an dem eingespritzten Kunststoff erhalten wird. Um die Fixierung des eingelegten Zuschnitts an der Innenwand zu verbessern, ist es vorteilhaft, an dieser Innenwand nach innen ragende, wieder ausziehbare Nadeln, Stifte oder Dorne anzu- bringen. Weitere gängige Vorrichtungen zum Fixieren von flächigen Einlegern in Spritzgusswerkzeugen sind ebenfalls anwendbar. Dann werden die erweichten Zuschnitte mittels Standard-Nadelgreifern so in das Werkzeug eingelegt, dass sie an der Werkzeuginnenwand fixiert, vorzugsweise von den Nadeln, Stiften oder Dornen durchstochen werden und dadurch an der Innenwand festgehalten werden.
Im dritten Verfahrensschritt C wird das Werkzeug zugefahren und die im Schritt B eingeführten Nadeln, Stifte oder Dorne werden wieder zurückgezogen. Durch den beim Zufahren des Werkzeugs angewandten Druck wird der aufgeweitete Zuschnitt wieder verdichtet, und schon nach wenigen Sekunden ist der Thermoplast in den an beiden kalten Innenwänden des Werkzeugs anliegenden Randbereichen des Zuschnitts verfestigt, so dass sie dort fest anhaften. Dabei wird die Anhaftung durch eine bestimmte Mindestrauhigkeit der Werkzeugoberfläche erzielt, welche sich gegebenenfalls in einem Vorversuch ermitteln lässt.
Im vierten Verfahrensschritt D wird das Werkzeug auf die gewünschte Weite wieder geöffnet, wobei die im Innern des Zuschnitts befindlichen Wirrfaserlagen, deren Kunststoffmatrix noch etwas plastisch ist, sich wieder aufweiten, so das sich dort Luftporen und Kanäle bilden. Das Werkzeug wird vorzugsweise so weit geöffnet wird, dass die beiden an den Innenwänden das Werkzeugs anhaftenden Hälften des Zuschnitts auseinander gezogen und getrennt werden, so dass sich zwischen ihnen ein Spalt bildet. Die Thermoplastschmelze wird dann auf übliche Weise in diesen Spalt eingespritzt und kann sich zusätzlich in die Kanäle oder Luftporen verteilen.
Es kann auch ein Sphtzprägeprozess angewandt werden, bei dem zunächst in den sich vergrössernden Spalt eingespritzt wird, und dann die Schmelzeverteilung durch einen anschliessenden Schliesshub des Werkzeugs erzielt wird. Da- durch werden die auf die Zuschnittflächen wirkenden Scherkräfte reduziert. Der eingespritzte Thermoplast ist vorzugsweise der gleiche oder ein artverwandter wie der im Zuschnitt enthaltene. Der Thermoplast kann übliche Zusatzstoffe enthalten, beispielsweise verstärkend wirkende Glasfasern, Naturfasern, Kohlenstofffasern oder Metallfasern, jeweils mit einer Länge von vorzugsweise 0.5 bis 25 mm, insbesondere 1 bis 5 mm, und/oder mineralische Füllstoffe, wie z.B. TaI- kum, Quarzpulver, Kreide, ferner Russ, Graphit Nanotubes und/oder chemische Treibmittel, wodurch infolge des Aufschäumens beim Schmelzen des Thermoplasten leichtere Bauteile erhalten werden. Auch ein physikalisches Schäumen ist denkbar. Im fünften Verfahrensschritt E lässt man den Thermoplasten abkühlen und entnimmt das fertige Bauteil, das an beiden Aussenseiten als Verstärkung Fasergewebe oder -gelege aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil in Form einer ebenen, ge- bogenen, gekrümmten oder abgeknickten Platte mit einer mittleren Wanddicke von 3 bis 20 mm, umfassend eine Wirrfaserlagen enthaltende Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff und an beiden Aussenseiten als Verstärkung ein Fasergewebe oder -gelege, das jeweils mit den angrenzenden Wirrglasfaserlagen der Kernschicht vernadelt ist und den gleichen thermoplastischen Kunststoff wie die Kernschicht enthält. Die erfindungsgemässen Bauteile können auch als "Flächengebilde" bezeichnet werden, es handelt sich in den meisten Fällen aber nicht um ebene Gebilde bzw. Platten. Insbesondere können diese Bauteile mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden. Die Platten können 20 bis 250 cm, insbesondere 40 bis 100 cm breit und lang und 5 bis 100 cm, insbesondere 10 bis 50 cm hoch sein und eine Wanddicke von 3 bis 20 mm, insbesondere von 5 bis 10 mm aufweisen. Da die Bauteile auch eine unregelmässige Form haben können, sind die Masse für Breite, Länge und Höhe Maximalwerte; wegen der möglichen unterschiedlichen Dicke der Teile sind die Masse für die Dicke Mittelwerte. Die erfindungsgemäss hergestellten Bauteile können vor allem im Automobilbereich verwendet werde, z.B. als Frontends, Seitentürträger, Unterbodenverkleidungen, Batterieträger, Instrumententafelträger oder für Sitzschalen und Lehnen, aber auch als Stossfängerträger, Fussgängerschutzträger und für ganze oder segmentierte Bodenstrukturen. Schliesslich können sie auch im Nichtautomobilbereich angewandt werde, z.B. bei grossen Behältern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend als zeitliche Abfolge anhand der Zeichnungen näher beschrieben, welche jeweils in einem Vertikal- schnitt zeigen:
Fig. 1 ein offenes Formwerkzeug, an dessen Innenwand ein flächiger Zuschnitt angelegt ist; Fig. 2 das Formwerkzeug der Fig. 1 , nach dem Zufahren;
Fig. 3 das Formwerkzeug der Fig. 2, nach dem erneuten Öffnen;
Fig. 4 das Formwerkzeug der Fig. 3, beim Einspritzen der Thermoplast- schmelze;
Fig. 5 das Formwerkzeug der Fig. 4, nach erfolgtem weiterem Schliess- hub; Fig. 6 das Formwerkzeug der Fig. 5, bei der Entnahme des fertigen Bauteils.
Das in den Figuren schematisch dargestellte Formwerkzeug umfasst eine als Matrize ausgestaltete linke Werkzeughälfte 2 mit einer vertikalen Wand 4, die mit einer Einspritzöffnung 6 sowie mit ein- und ausfahrbaren Dornen 8 ausgestattet ist. Weiterhin umfasst das Formwerkzeug eine als Patrize ausgestaltete rechte Werkzeughälfte 10 sowie eine an die Einsphtzöffnung 6 anschliessbare Ein- spritzvorhchtung 12 für Thermoplastschmelze.
Ein flächiger Zuschnitt 14, der wie weiter oben beschrieben beschaffen ist, wird zunächst auf oder über die Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt und danach an die Innenwand 16 der linken Werkzeughälfte 2 angelegt. Wie aus Figur 1 ersichtlich, dringen die Dorne 8 in den Zuschnitt 14 ein und halten diesen in der gewünschten Position. Anschliessend wird das Werkzeug zugefahren, indem die rechte Werkzeughälfte 10 wie in der Figur 2 dargestellt mit der Innenwand 18 voran in die linke Werkzeughälfte 2 eingeschoben wird. Dabei wird der Zuschnitt 14 verdichtet und die an den beiden Innenwänden 16 und 18 anliegenden Randbereiche des Zuschnitts verfestigt und haften dort an. Zu diesem Zeitpunkt sind die Dorne 8 nicht mehr erforderlich und werden deshalb bereits wieder eingefahren.
Im nächsten Verfahrensschritt wird das Werkzeug gemäss Figur 3 auf die gewünschte Weite wieder geöffnet, wobei die an den Innenwänden 16 und 18 angrenzenden Thermoplastbereiche des Zuschnitts 14 an den Innenwänden haf- ten. Demzufolge wird im Kernbereich des Zuschnitts ein Spaltbereich 20 gebildet. Daraufhin wird gemäss Figur 4 eine vorbestimmte Menge an Thermoplastschmelze 22 in den Spaltbereich 20 eingespritzt.
Im gezeigten Beispiel erfolgt noch ein weiterer Schliesshub, wobei wie in Figur 5 dargestellt die rechte Werkzeughälfte 10 weiter in die linke Werkzeughälfte 2 geschoben wird. Dadurch wird die Polymerschmelze 22 im ganzen Innenraum des Formwerkzeugs verteilt.
Schliesslich wird der Thermoplast abgekühlt, das Werkzeug wieder auseinander gefahren und das nunmehr fertige Bauteil 24 entnommen.
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