DE102005026790A1

DE102005026790A1 - Spritzgussverfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffteils

Info

Publication number: DE102005026790A1
Application number: DE200510026790
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wolff; Marek Nolewajka
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-11
Also published as: DE102005026790B4

Abstract

Spritzgussverfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffteils, das eine aus einem Kernmaterial bestehende Kernschicht und eine die Kernschicht umgebende, aus einem Oberflächenmaterial bestehende Oberflächenschicht aufweist, wobei folgende Schritte durchlaufen werden: DOLLAR A - Bereitstellen eines Spitzgusswerkzeugs, das eine Innenkontur aufweist, die der Außenkontur des herzustellenden Kunststoffteils entspricht, wobei das Spritzgusswerkzeug von einem Werkzeugrand aus in einer Hauptspritzgussrichtung gesehen mehrere hintereinander angeordnete, voneinander beabstandete Injektionsdüsen aufweist, von denen eine erste Düsengruppe dazu vorgesehen ist, Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug einzuspritzen und eine zweite Düsengruppe dazu vorgesehen ist, Kernmaterial in das Spritzgusswerkzeug einzuspritzen; DOLLAR A - Einspritzen heißen Oberflächenmaterials in das Spritzgusswerkzeug über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands angeordnete Injektionsdüse der ersten Düsengruppe, so dass sich im Spritzgusswerkzeug eine Oberflächematerialfront von dem Werkzeugrand in Hauptspritzgussrichtung ausbreitet, wobei werkzeuginnenseitennahe Schichten des eingespritzten Oberflächenmaterials abkühlen und bereits leicht erstarren, wohingegen dazwischenliegende innere Schichten des eingspritzten Oberflächenmaterials zunächst heiß und vergleichsweise flüssig bleiben; DOLLAR A - Einspritzen von Kernmaterial über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands angeordnete Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzgussverfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Moderne Fahrzeuge weisen eine Vielzahl von Kunststoffteilen auf. Zunehmend werden auch großflächige Karosserieteile, wie z.B. Kotflügel, Klappen, etc. aus Kunststoff hergestellt. Kunststoffteile weisen im Vergleich zu formgleichen Stahlteilen oft ein geringeres Gewicht auf. Jedoch besteht bei Kunststoffteilen häufig ein Zielkonflikt zwischen hinreichend hoher Wärmeformbeständigkeit und hinreichend hoher Oberflächenqualität. Insbesondere großflächige, im Wesentlichen horizontal am Fahrzeug angeordnete Karosserieteile, wie z.B. Motorhauben, Heckklappen oder Dachheckspoiler, können sich bei starker Sonneneinstrahlung stark erwärmen, was zu unerwünschten Bauteilverformungen führen kann.

Aus dem Stand der Technik ist zwar bekannt, Kunststoffteile durch Glasfasern zu versteifen. Die Oberflächen von durchweg aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellten Kunststoffkarosserieteilen müssen jedoch üblicherweise vor dem Lackiervorgang bearbeitet werden, da sich ansonsten die unmittelbar im Oberflächenbereich eingelagerten Glasfasern in der Oberfläche des lackierten Bauteils abzeichnen würden, was unerwünscht ist. Eine derartige Oberflächenbearbeitung vor dem Lackiervorgang ist jedoch relativ aufwändig.

Die oben beschriebene Problematik lässt sich durch das sogenannte Sandwichspritzgussverfahren vermeiden. Die Grundidee des Sandwichspritzgießens besteht darin, ein Kunststoffteil "zweilagig" bzw. mehrlagig aufzubauen, mit einem wärmeformbeständigen Bauteilkern, der z.B. aus einem glasfaserverstärkten Thermoplastmaterial hergestellt sein kann und einer den Kern umgebenden faserfreien Oberflächenschicht, die den an Karosserieteile gestellten Oberflächenqualitätsanforderungen genügt. Das Grundprinzip des Sandwichspritzgießens besteht darin, dass zunächst Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt wird, wobei sich werkzeuginnenflächennahe Schichten des Obermaterials abkühlen und erstarren, während weiter innenliegende Schichten noch heiß und relativ flüssig bleiben. In einem zweiten Arbeitsschritt wird dann in den Bereich zwischen die werkzeuginnenflächennahen, bereits erstarrten Schichten Kernmaterial eingespritzt, welches das noch flüssige Obermaterial im Werkzeug verdrängt. Dabei wird soviel Kernmaterial eingespritzt, bis die gesamte Werkzeuginnenseite mit Obermaterial bedeckt ist. Auf diese Weise wird ein Kunststoffteil mit einem wärmeformbeständigen glasfaserverstärkten Kern erhalten, der vollständig mit Obermaterial umgeben bzw. "überzogen" ist. Das Sandwichspritzgussverfahren eignet sich gut zur Herstellung relativ kleiner Bauteile, wie z.B. Außenspiegelkappen oder Türgriffen. Zur Herstellung dünnwandiger, großflächiger Bauteile ist das Sandwichspritzgussverfahren nicht geeignet, da das Oberflächenmaterial und der Kern durch einen Anguß eingespritzt werden müssen und thermoplastische Schmelzen aufgrund des Druckverlusts beim Fließen einen begrenzten Fließweg haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spritzgussverfahren anzugeben, mit dem relativ dünnwandige, großflächige Kunststoffteile hergestellt werden können, die einen aus einem Kernmaterial bestehenden Bauteilkern aufweisen, der mit einem Oberflächenmaterial, das eine hohe Oberflächenqualität ermöglicht, überzogen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von einem Spritzgussverfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffteils aus, das eine aus einem Kernmaterial bestehende Kernschicht und eine die Kernschicht umgebende, aus einem Oberflächenmaterial bestehende Oberflächenschicht aufweist. Die Kernschicht kann beispielsweise aus einem Thermoplast hergestellt sein, der mit Glasfasern versteift ist, die eine Länge von z.B. 0,5–1 mm haben können. Die Oberflächenschicht kann ebenfalls aus einem Thermoplast hergestellt sein. Die Oberflächenschicht ist jedoch nicht mit Fasern durchsetzt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden folgende Schritte durchlaufen.

Zunächst wird ein Spritzgussformwerkzeug bereitgestellt, das eine Innenkontur aufweist, die der Außenkontur des herzustellenden Kunststoffteils entspricht. Das Formwerkzeug weist von einem Werkzeugrand aus in einer Hauptspritzgussrichtung gesehen mehrere Injektionsdüsen auf. Die Injektionsdüsen sind kaskadenartig hintereinander angeordnet und voneinander beabstandet. Die Injektionsdüsen können in eine erste Düsengruppe eingeteilt werden, die dazu vorgesehen ist, Oberflächenmaterial in das Formwerkzeug einzuspritzen und in eine zweite Düsengruppe, die dazu vorgesehen ist, Kernmaterial in das Formwerkzeug einzuspritzen.

In einem ersten Spritzgussschritt wird über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands angeordnete Injektionsdüse der ersten Düsengruppe heißes, relativ flüssiges Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt. Dabei breitet sich in dem Spritzgusswerkzeug eine "Oberflächenmaterialfront" von dem Werkzeugrand in Hauptspritzgussrichtung aus. Da das Formwerkzeug im Vergleich zu dem eingespritzten Oberflächenmaterial relativ kalt ist, kühlen sich die "werkzeuginnenseitennahen Schichten" des eingespritzten Obermaterials ab und erstarren dabei bereits ein wenig. Die inneren, zwischen den werkzeuginnenseitennahen Schichten befindlichen Schichten des eingespritzten Obermaterials hingegen kühlen sich nicht so schnell ab und bleiben vergleichsweise heiß und flüssig.

In einem weiteren Spritzgussschritt wird dann Kernmaterial über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands angeordnete Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe in den Bereich zwischen die bereits etwas abgekühlten werkzeuginnenseitennahen Schichten des eingespritzten Obermaterials eingespritzt. Das eingespritzte Kernmaterial drückt dabei die inneren Schichten des noch heißen, flüssigen Obermaterials in Hauptspritzgussrichtung "nach vorne" in die Hauptspritzgussrichtung.

In einem dritten Spritzgussschritt wird dann über eine zweite Injektionsdüse der ersten Düsengruppe erneut Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt. Über diese in Hauptspritzrichtung gesehen zweite Injektionsdüse der ersten Düsengruppe wird jedoch erst dann Oberflächenmaterial eingespritzt, wenn die Oberflächenmaterialfront die zweite Injektionsdüse der ersten Düsengruppe erreicht bzw. passiert hat. Dadurch wird sichergestellt, dass das über die zweite Injektionsdüse der ersten Düsengruppe eingespritzte Oberflächenmaterial in Hauptspritzgussrichtung fließt und nicht in entgegengesetzte Richtung, da dies zu unerwünschten "Blindnähten" und somit zu Materialschwächungen und Oberflächenfehlern am fertigen Bauteil führen könnte.

Die Materialzufuhr über die zweite Injektionsdüse der ersten Düsengruppe muss abgestellt werden, wenn der Kern in diesen Bereich vorgedrungen ist.

Der Erfindung liegt also das Grundprinzip zugrunde, das an sich bekannte Sandwichspritzgussverfahren "kaskadenartig" durchzuführen. Durch einen derartigen kaskadenartigen Sandwichspritzgussprozess können dann nahezu beliebig großflächige, dünnwandige Kunststoffteile mit einem wärmeformbeständigen Kern und einer den Kern umgebenden qualitativ hochwertigen Oberflächenschicht hergestellt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in Hauptspritzgussrichtung gesehen vor der zweiten Injektionsdüse der ersten Düsengruppe eine zweite Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe angeordnet, über die Kernmaterial in die Spritzgussform eingespritzt werden kann. Vorzugsweise wird über die erste Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe mindestens solange Kernmaterial in die Spritzgussform eingespritzt, bis die "Kernmaterialfront" die zweite Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe erreicht hat. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Einspritzen von Kernmaterial über die zweite Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe das Kernmaterial in Hauptspritzgussrichtung fließt und nicht in entgegengesetzte Richtung und dass die Kernschicht nicht durch eine „innere" Bindenaht der Kernschicht geschwächt wird.

Über die zweite Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe wird dann Kernmaterial in den Bereich zwischen die bereits etwas abgekühlten werkzeuginnenseitennahen Schichten des eingespritzten Oberflächenmaterials eingespritzt, wenn die Kernmaterialfront die zweite Injektionsdüse der zweiten Düsengruppe passiert hat.

Durch mehrmaliges Wiederholen dieser Schritte mit weiteren, in Spritzgussrichtung folgenden Injektionsdüsen kann ein nahezu beliebig großflächiges Kunststoffteil hergestellt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Düsen der ersten und/oder der zweiten Düsengruppe als regelbare Düsen ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass jede der Injektionsdüsen separat verstellbar ist, was beim Einspritzen von Spritzgussmaterial in das Spritzgusswerkzeug eine optimale Regelung des Materialstroms an den einzelnen Injektionsdüsen ermöglicht und zwar unabhängig von dem von der Spritzgussmaschine erzeugten Druck und unabhängig von der Leitungslänge zwischen der Spritzgussmaschine und den einzelnen Injektionsdüsen.

Bei der Massenfertigung von Kunststoffteilen treten beträchtliche Mengen von Kunststoffabfällen und Ausschuss an. Es ist daher sinnvoll, Produktionsabfälle und/oder Kunststoffteile von Altfahrzeugen zu recyclen. Die zu recyclenden Kunststoffteile werden in einem ersten Schritt zu einem Granulat zermahlen und anschließend aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene "Recyclat" kann dann als Kernmaterial verwendet werden. Bei dem oben beschriebenen Verfahren kann das Kernmaterial ganz oder zumindest teilweise aus Recyclat hergestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 beschreibt das Grundprinzip der Erfindung schematisch in sechs Prozessschritten.
Im oberen Bereich der 1 ist schematisch ein Formwerkzeug 1 dargestellt, das durch eine obere Werkzeughälfte 2 und eine untere Werkzeughälfte 3 gebildet sein kann. Das Formwerkzeug 1 weist einen "linken" Werkzeugrand 4 auf, von dem aus in einer Hauptspritzgussrichtung gesehen, die durch einen Pfeil 5 angedeutet ist, hintereinander mehrere Injektionsdüsen perlschnurartig „aufgereiht" sind. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Injektionsdüsen vorgesehen, die in eine erste und eine zweite Düsengruppe unterteilt werden können.
Über die Düsen der ersten Düsengruppe wird Oberflächenmaterial in das Formwerkzeug 1 eingespritzt. Über die Düsen der zweiten Düsengruppe wird Kernmaterial in das Oberflächenwerkzeug 1 eingespritzt. In unmittelbarer Nähe des linken Werkzeugrands 4 ist eine erste Düse 6 der ersten Düsengruppe angeordnet. "Kurz" nach der ersten Düse 6 der ersten Düsengruppe ist eine erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe angeordnet. In einem gewissen Abstand von der Düse 7 ist eine zweite Düse 8 der zweiten Düsengruppe angeordnet. Wieder in einem Abstand hinter der zweiten Düse 8 der zweiten Düsengruppe ist eine zweite Düse 9 der ersten Düsengruppe angeordnet. Schließlich ist eine dritte Düse 10 der zweiten Düsengruppe im Bereich zwischen der Düse 9 und einem rechten Werkzeugende 11 angeordnet.
In den darunter gezeigten Teildarstellungen sind die einzelnen Prozessschritte angedeutet. In einem ersten Prozessschritt wird über die erste Düse 6 der ersten Düsengruppe Oberflächenmaterial, das in 1 auch als "Hauptkomponente" bezeichnet ist und dunkel dargestellt ist, in das Spritzgusswerkzeug 1 eingespritzt. Die Oberflächenmaterialfront 12 breitet sich dabei im Wesentlichen von dem linken Werkzeugende 4 in Hauptspritzgussrichtung 5 aus. Über die erste Düse 6 der ersten Düsengruppe wird solange Oberflächenmaterial eingespritzt, bis die Oberflächenmaterialfront 12 bis in einen Bereich zwischen der ersten Düse 7 der zweiten Düsengruppe und die zweite Düse 9 der ersten Düsengruppe vorgedrungen ist.
In einem zweiten Prozessschritt wird dann über die erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe Kernmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt. Da der Bereich "links" der ersten Düse 7 der zweiten Düsengruppe vollständig mit Oberflächenmaterial ausgefüllt ist, kann sich das über die erste Düse 7 eingespritzt Kernmaterial nur in "Hauptspritzgussrichtung 5" ausbreiten. Durch Einspritzen von Kernmaterial über die erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe wird das im Bereich "rechts" der ersten Düse 7 der zweiten Düsengruppe befindliche Oberflächenmaterial noch weiter nach rechts verdrängt. Die Oberflächenmaterialfront 12 wird also nach rechts verschoben. Da das im ersten Prozessschritt eingespritzte Oberflächenmaterial in den werkzeugnahen Schichten, d.h. in den äußeren Schichten abgekühlt und teilweise bereits erstarrt ist, wird beim Einspritzen von Kernmaterial über die erste Düse 7 primär nur die innere Oberflächenmaterialschicht nach rechts verschoben.
Im zweiten Prozessschritt wird solange Kernmaterial über die erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe eingespritzt, bis die Kernmaterialfront 13 die zweite Düse 8 der zweiten Düsengruppe erreicht bzw. passiert hat.
Durch Einspritzen von Kernmaterial über die erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe im zweiten Prozessschritt wird die Oberflächenmaterialfront 12 so weit nach rechts gedrückt, dass diese die zweite Düse 9 der ersten Düsengruppe erreicht und passiert.
Im dritten Prozessschritt wird dann über die zweite Düse 9 der ersten Düsengruppe erneut Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug 1 eingespritzt, wodurch die Oberflächenmaterialfront 12 weiter nach rechts in Hauptspritzgussrichtung 5 verschoben wird.
In einem vierten Prozessschritt kann dann erneut über die erste Düse 7 der zweiten Düsengruppe Kernmaterial eingespritzt werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich. Sofern, wie in den Prozesschritten 2 und 3 dargestellt ist, die Kernmaterialfront 13 die zweite Düse 8 der zweiten Düsengruppe passiert hat, kann auch gleich über die zweite Düse 8 der zweiten Düsen gruppe Kernmaterial eingespritzt werden, was in dem fünften Prozessschritt dargestellt ist. Durch Einspritzen von Kernmaterial über die zweite Düse 8 der zweiten Düsengruppe wird sowohl die Oberflächenmaterialfront 12 als auch die Kernmaterialfront 13 weiter nach rechts gedrückt.
In einem sechsten Prozessschritt wird dann weiter Kernmaterial eingespritzt und zwar über die dritte Düse 10 der zweiten Düsengruppe und zwar solange, bis die Oberflächenmaterialfront 12 das rechte Ende 11 des Spritzgusswerkzeugs 1 erreicht.

Claims

Spritzgussverfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffteils, das eine aus einem Kernmaterial bestehende Kernschicht und eine die Kernschicht umgebende, aus einem Oberflächenmaterial bestehende Oberflächenschicht aufweist, wobei folgende Schritte durchlaufen werden: – Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs (1), das eine Innenkontur aufweist, die der Außenkontur des herzustellenden Kunststoffteils entspricht, wobei das Spritzgusswerkzeug von einem Werkzeugrand (4) aus in einer Hauptspritzgussrichtung (5) gesehen mehrere hintereinander angeordnete, voneinander beabstandete Injektionsdüsen (6–10) aufweist, von denen eine erste Düsengruppe (6, 9) dazu vorgesehen ist, Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug (1) einzuspritzen und eine zweite Düsengruppe (7, 8, 10) dazu vorgesehen ist, Kernmaterial in das Spritzgusswerkzeug (1) einzuspritzen; – Einspritzen heißen Oberflächenmaterials in das Spritzgusswerkzeug (1) über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands (4) angeordnete Injektionsdüse (6) der ersten Düsengruppe, so dass sich im Spritzgusswerkzeug eine Oberflächenmaterialfront (12) von dem Werkzeugrand (4) in Hauptspritzgussrichtung (5) ausbreitet, wobei werkzeuginnenseitennahe Schichten des eingespritzten Oberflächenmaterials abkühlen und bereits leicht erstarren, wohingegen dazwischenliegende innere Schichten des eingespritzten Oberflächenmaterials zunächst heiß und vergleichsweise flüssig bleiben; – Einspritzen von Kernmaterial über eine erste in der Nähe des Werkzeugrands (4) angeordnete Injektionsdüse (7) der zweiten Düsengruppe in den Bereich zwischen die bereits etwas abgekühlten werkzeuginnenseitennahen Schichten des eingespritzten Oberflächenmaterials, wobei das eingespritzte Kernmaterial innere Schichten des noch heißen, flüssigen Oberflächenmaterials in Hauptspritzgussrichtung (5) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass in Hauptspritzgussrichtung (5) gesehen über eine zweite Injektionsdüse (9) der ersten Düsengruppe Oberflächenmaterial in das Spritzgusswerkzeug (1) eingespritzt wird, wenn die Oberflächenmaterialfront (12) die zweite Injektionsdüse (9) der ersten Düsengruppe passiert hat.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Hauptspritzgussrichtung (5) gesehen vor der zweiten Injektionsdüse (9) der ersten Düsengruppe eine zweite Injektionsdüse (8) der zweiten Düsengruppe angeordnet ist.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste Injektionsdüse (7) der zweiten Düsengruppe solange Kernmaterial eingespritzt wird, bis die Kernmaterialfront (13) die zweite Injektionsdüse (8) der zweiten Düsengruppe erreicht hat.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die zweite Injektionsdüse (8) der zweiten Düsengruppe Kernmaterial in den Bereich zwischen die bereits etwas abgekühlten werkzeuginnenseitennahen Schichten des eingespritzten Obermaterials eingespritzt wird, wenn die Kern materialfront (13) die zweite Injektionsdüse (8) der zweiten Düsengruppe passiert hat.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist, der mit Glasfasern durchsetzt ist.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Obermaterial ein sich von dem Kernmaterial unterscheidender thermoplastischer Kunststoff ist.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6, 9) der ersten Düsengruppe regelbare Düsen sind.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (7, 8, 10) der zweiten Düsengruppe regelbare Düsen sind.
Spritzgussverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespritzte Kernmaterial zumindest teilweise aus Recyclatmaterial besteht.
Flächiges Kunststoffteil, das nach einem Verfahren gemäß eines der Patentansprüche 1–9 hergestellt ist.