DE102005027374A1

DE102005027374A1 - Spritzgießverfahren und -anlage

Info

Publication number: DE102005027374A1
Application number: DE102005027374A
Authority: DE
Inventors: Sven Stein
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: DE102005027374B4

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Anlage zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils, bei dem ein Gemisch aus einem thermoplastischen Kunststoff, einem Treibmittel und Verstärkungsfasern mittels eines Einspritzaggregats unter Druck in die Formkavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht und dort aufgeschäumt wird, wird erfindungsgemäß eine mechanisch hochstabile Bauteilgestaltung mit geringem Fertigungs- und insbesondere Kostenaufwand dadurch erreicht, dass der thermoplastische Kunststoff, das Treibmittel und die Verstärkungsfasern jeweils getrennt voneinander dem Einspritzaggregat zugeführt und in diesem miteinander vermischt werden und durch gesteuerte Expansion des Spritzgießwerkzeugs eine Sandwichstruktur mit einem faserverstärkten Schaumkern und integral mit diesen spritzvergosenen, im Wesentlichen schaumfreien Deckschichten aus einem ebenfalls faserverstärkten, zum Schaumkern materialgleichen Faserverbundwerkstoff erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 9, sowie auf ein Spritzguss- und insbesondere ein Kraftfahrzeug-Innenausstattungsteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Aus der WO 02/26482 A1 ist es bekannt, faserverstärkte Schaumspritzgussteile in der Weise herzustellen, dass ein mit Verstärkungsfasern vorvermischtes Kunststoffgranulat in einem Extruder plastifiziert, mit einem physikalischen Treibmittel versetzt und dann unter Druck in die Formkavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht wird, wo die Spritzgussmasse mit Ausnahme filmartig dünner Randzonen, die im Wesentlichen blasenfrei bleiben, ausgast und sich zu einer faserverstärkten Schaumstruktur verfestigt. Die so hergestellten Spritzgussteile besitzen zwar ein geringes spezifisches Gewicht, verfügen aber trotz der Faserverstärkungen über eine nur begrenzte mechanische Stabilität, insbesondere Biegefestigkeit und -steifigkeit, und benötigen relativ kostspielige Ausgangsmaterialien.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Spritzgießanlage der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich Schaumspritzgussteile mit einer, bezogen auf das Baugewicht, hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit auf kostengünstige Weise herstellen lassen. In entsprechender Weise soll erfindungsgemäß ein mechanisch hochstabiles Schaumspritzgussteil geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. die im Anspruch 9 gekennzeichnete Spritzgießanlage sowie durch das im Anspruch 6 gekennzeichnete Spritzgussteil gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Spritzgießanlage wird das Einspritzaggregat mit drei voneinander getrennten Einlässen, nämlich einem Einlass für die Faserverbundmatrix, einem Treibmitteleinlass und einem Einlass für die Verstärkungsfasern versehen und so eine einfache und vor allem hinsichtlich der Ausgangsmaterialien äußerst kostengünstige Herstellungsmethode für eine faserverstärkte Schaumstruktur geschaffen, insbesondere wenn die Verstärkungsfasern dem Einspritzaggregat in Form von Endlosfasern zugeführt und diese dann beim Einziehen zerkleinert werden und außerdem als Treibmittel ein chemisches Treibmittel verwendet wird, welches – anders als physikalische, also etwa gasförmige Treibmittel – anlagetechnisch einfach zu dosieren ist.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht in der Gestaltung des Sprtzgussteils nach Art eine Sandwichbauteils hoher konstruktiver Festigkeit und Steifigkeit mit integral mit der faserverstärkten Schaumstruktur spritzvergossenen, ebenfalls faserverstärkten, aber schaumfreien Deckschichten, deren Wandstärke prozesstechnisch, nämlich durch zeitlich und volumenmäßig gesteuerte Expansion der Formkavität des Spritzgießwerkzeugs, den Betriebsbelastungen entsprechend variabel einstellbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Einspritzaggregat aus Gründen einer guten Durchmischung der einzelnen Spritzgusskomponenten als Doppelschneckenextruder mit einem in Förderrichtung hinteren Einlass für die Kunststoffmatrix, einem mittleren Einlass für die Verstärkungsfasern und einem vorderen Treibmitteleinlass sowie einer dem Extruder nachgeschalteten Einspritzkolbeneinheit ausgebildet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 einen Teilschnit eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils nach der Erfindung; und
2 eine Spritzgießanlage zum Herstellen des Spritzgussteils nach 1.
Das in 1 ausschnittweise gezeigte Integralschaum-Spritzgussteil 1, z. B. das Innenausstattungs-Formteil eines Kraftfahrzeugs, ist nach Art eines Sandwichbauteils hoher konstruktiver Festigkeit und Steifigkeit ausgebildet und enthält eine mittlere, durch Langfasern 2, etwa Glasfasern, verstärkte Schaumstruktur 3 und mit dieser beidseitig integral aus dem gleichen faserverstärkten Spritzgussmaterial mitvergossene, aber im Wesentlichen schaumfreie Deckschichten 4. Als Faserverbundmatrix für die Verstärkungsfasern 2 ist ein thermoplastischer Kunststoff, z. B. Polypropylen, vorgesehen.
Gemäß 2 enthält die Spritzgießanlage zur Herstellung des Formteils 1 ein Einspritzaggregat 5, bestehend aus einem Doppelschneckenextruder 6, einem Zwischenspeicher 7 und einer Einspritzkolbeneinheit 8, sowie ein Spritzgießwerkzeug 9, dessen Formkavität 10 in dem mit dem Spritzgussmaterial gefüllten Zustand (2) begrenzt volumenvergrößerbar ist.
Der Doppelschneckenextruder 6 besitzt drei in Förderrichtung hintereinanderliegende Einlässe 11, 12 und 13, über die die Einzelkomponenten des Spritzgussmaterials getrennt voneinander eingegeben werden, nämlich einen hinteren Einlass 11 für das Kunststoff-, also vorzugsweise Polypropylengranulat, einen mittleren Einlass 12, über den die Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern 14 in das an dieser Stelle plastifizierte Kunststoffmaterial eingebracht und dabei an den Schneckengängen zu Langfasern 2 mit einer Faserlänge von etwa 2 bis 15 mm zerkleinert werden, und einen in Durchströmungsrichtung vorderen Treibmittel-, z. B. Bicarbonateinlass 13.
Die im restlichen Teil des Schneckenextruders 6 gut durchmischte Spritzgussmasse gelangt anschließend in den Zwischenspeicher 7, der einen Puffer zwischen dem kontinuierlich arbeitenden Extruder 6 und der diskontinuierlich arbeitenden Einspritzkolbeneinheit 8 bildet. Von dieser wird die zunächst noch auf eine minimale Volumengröße zusammengefahrene Formkavität 10 des Spritzgießwerkzeugs 9 vollständig mit der Spritzgussmasse befüllt und dabei der Spritzdruck so hoch gehalten, dass die Spritzgussmasse noch nicht aufschäumt und sich daher, ausgehend von den Begrenzungswänden der Formkavität 10, zunehmend zu den im Wesentlichen schaumfreien Deckschichten 4 mit größtenteils zur Deckschichtkontur paralleler Faserorientierung (1) verfestigt. Ist die gewünschte Deckschichtdicke erreicht, werden die Werkzeughälften auseinandergefahren, so dass das restliche Spritzgussmaterial in der Formkavität 10 aufschäumt und die mittlere, faserverstärkte Schaumstruktur 3 des in 1 gezeigten Formteils 1 mit einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Faser-Vorzugsrichtung bildet. Durch zeitliche und größenmäßige Steuerung des Werkzeughubs lassen sich die Wandstärke der Deckschichten 4 und die Dicke der mittleren Schaumstruktur 3 unabhängig voneinander variabel gestalten.
Nach der Verfestigung der Schaumstruktur 3 wird das Werkzeug 10 vollständig geöffnet, so dass das Formteil 1 entnommen und gegebenenfalls weiterbearbeitet werden kann.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzguss-, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Innenausstattungsteils, bei dem ein Gemisch aus der Faserverbundmatrix, dem Treibmittel und Verstärkungsfasern mittels eines Einspritzaggregats unter Druck in die Formkavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht und dort aufgeschäumt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundmatrix, das Treibmittel und die Verstärkungsfasern jeweils getrennt voneinander dem Einspritzaggregat zugeführt und in diesem miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern dem Einspritzaggregat in Form von Endlosfasern zugeführt und diese beim Einziehen zerkleinert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkavität vollständig mit dem Gemisch aus Treibmittel, Verstärkungsfasern und Faserverbundmatrix befüllt und das Gemisch anschließend durch gesteuerte Expansion der Formkavität aufgeschäumt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Förderrichtung des Einspritzaggregats zuerst die Verstärkungsfasern und dann das Treibmittel der Faserverbundmatrix zugemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel ein chemisches Treibmittel ist.
Spritzgussteil, insbesondere Kraftfahrzeug-Innenausstattungsteil, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Schaumstoffmatrix und in diese eingebetteten Verstärkungs-Langfasern, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil (1) nach Art eines Sandwichbauteils mit integral mit der Schaumstoffmatrix spritzvergossenen, im Wesentlichen schaumfreien Deckschichten (4) aus einer ebenfalls langfaserverstärkten, zur Schaumstoffmatrix materialgleichen Faserverbundmatrix ausgebildet ist.
Spritzgussteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundmatrix ein thermoplastischer Kunststoff ist.
Spritzgussteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverbundmatrix Polypropylen vorgesehen ist.
Spritzgießanlage zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzguss-, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Innenausstattungsteils, mit einem Einspritzaggregat und einem diesem nachgeschalteten Spritzgießwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzaggregat (5) mit drei in Förderrichtung hintereinander liegenden Einlässen, nämlich einem Einlass (11) für die Faserverbundmatrix, einem Einlass (12) für die Verstärkungsfasern (14) und einem Treibmitteleinlass (13) versehen ist.
Spritzgießanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzaggregat (5) einen Doppelschneckenextruder (6) mit nachgeschalteter Einspritzkolbeneinheit (8) umfasst.
Spritzgießanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkavität (10) des Spritzgießwerkzeugs (9) zum Aufschäumen der Spritzgussfüllung gesteuert volumenvergrößerbar ist.