DE102005027374B4

DE102005027374B4 - Spritzgießverfahren und -anlage

Info

Publication number: DE102005027374B4
Application number: DE102005027374.2A
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: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: DE102005027374A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils (1) insbesondere zur Kraftfahrzeug-Innenausstattung, bestehend aus einer Faserverbundstruktur (3) mit einer geschäumten, faserverstärkten Faserverbundmatrix sowie aus einer integral mit der Faserverbundstruktur mitvergossenen Deckschichtstruktur (4) aus einer im Wesentlichen schaumfreien, im Übrigen aber zur geschäumten Faserverbundmatrix materialgleichen und ebenfalls faserverstärkten Faserverbundmatrix, bei dem ein Gemisch aus Faserverbundmatrix, Treibmittel und Verstärkungsfasern (2) mittels eines Einspritzaggregats (5) unter Druck in die Formkavität (10) eines Spritzgießwerkzeugs (9) eingebracht und durch gesteuerte Expansion der Formkavität zuerst die Deckschichtstruktur (4) und dann die Faserverbundstruktur (3) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Deckschicht- und die geschäumte Faserverbundstruktur durch eine zeitlich und volumenmäßig variabel gesteuerte Expansion der Formkavität (10) des Spritzgießwerkzeugs (9) mit jeweils unabhängig voneinander dimensionierten Wandstärken ausgebildet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Spritzgießanlage zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils.
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.
Die US 2003/0003291 A1 zeigt ein geschäumtes Kunststoffbauteil aus thermoplastischem Harz, das mit Fasern verstärkt ist. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten, faserverstärkten Kunststoffbauteils.
Aus der EP 1 645 386 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen mit einer Dichte von 0,3 mit 0,9 g/cm³ aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen durch Einspritzen einer Thermoplastschmelze bekannt, die Verstärkungsfasern sowie ein chemisches Treibmittel enthält und in ein Formwerkzeug eingespritzt wird.
Die DE 100 10 491 A1 betrifft ein geformtes Schaumharz, dessen Oberfläche kostengünstig und einfach mit einem Design versehen werden kann, ein Verfahren zur Ausbildung eines geformten Schaumharzes und eine aus geformten Schaumharz hergestellte Lautsprechermembran, wobei ein geformtes Schaumharz durch Spritzguss eines ein Schaummittel enthaltendes Harzes ausgebildet wird und eine geschäumte Zone mit einem Aufbau aus drei Schichten aufweist.
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 5 gekennzeichnete Spritzgießanlage 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 Spritzgussteils 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 Endlosfasem 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 Schaumspritzgussteils (1) insbesondere zur Kraftfahrzeug-Innenausstattung, bestehend aus einer Faserverbundstruktur (3) mit einer geschäumten, faserverstärkten Faserverbundmatrix sowie aus einer integral mit der Faserverbundstruktur mitvergossenen Deckschichtstruktur (4) aus einer im Wesentlichen schaumfreien, im Übrigen aber zur geschäumten Faserverbundmatrix materialgleichen und ebenfalls faserverstärkten Faserverbundmatrix, bei dem ein Gemisch aus Faserverbundmatrix, Treibmittel und Verstärkungsfasern (2) mittels eines Einspritzaggregats (5) unter Druck in die Formkavität (10) eines Spritzgießwerkzeugs (9) eingebracht und durch gesteuerte Expansion der Formkavität zuerst die Deckschichtstruktur (4) und dann die Faserverbundstruktur (3) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Deckschicht- und die geschäumte Faserverbundstruktur durch eine zeitlich und volumenmäßig variabel gesteuerte Expansion der Formkavität (10) des Spritzgießwerkzeugs (9) mit jeweils unabhängig voneinander dimensionierten Wandstärken ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein chemisches Treibmittel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundmatrix ein thermoplastischer Kunststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern dem Einspritzaggregat (5) in Form von Endlosfasern (14) zugeführt und in diesem zu Langfasern (2) zerkleinert werden.
Spritzgießanlage zum Herstellen eines faserverstärkten Schaumspritzgussteils, insbesondere für die Kraftfahrzeug-Innenausstattung, mit einem Spritzgießwerkzeug (9) mit einer von Seiten eines Einspritzaggregats (5) mit einem Gemisch aus einer Faserverbundmatrix, einem Treibmittel und Verstärkungsfasern (2) unter Druck befüllbaren, selektiv expandierbaren Formkavität (10), wobei 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 und die Formkavität (10) des Spritzgießwerkzeugs (9) ein zeitlich und größenmäßig variabel expandierbares Füllvolumen besitzt.