DE102008017377A1

DE102008017377A1 - Leichtbauteil sowie Verfahren zur Herstellung hierfür

Info

Publication number: DE102008017377A1
Application number: DE102008017377A
Authority: DE
Inventors: Manfred Wolf
Original assignee: Rochling Technische Teile KG; ROECHLING TECH TEILE KG
Current assignee: Rochling Technische Teile KG; ROECHLING TECH TEILE KG
Priority date: 2008-04-05
Filing date: 2008-04-05
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009121915A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Leichtbauteils mit den Schritten i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht, ii) Einlegen eines Verstärkungselements in die Kavität, iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität und iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität v) sowie Entformen des Bauteils aus der Form. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Leichtbauteil, hergestellt durch ein solches Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils sowie ein entsprechendes Leichtbauteil. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Sportgerät, z. B. einen Hockeyschläger und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden am Beispiel der Herstellung eines Hockeyschlägers bzw. Hockeystockes beschrieben, obgleich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung anderer Gegenstände verwendet werden könnte. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von leichten Sonderbauteilen, die aufgrund ihrer Abmessungen und/oder ihrer mechanischen Eigenschaften im allgemeinen nicht maschinell hergestellt werden können.
Hockeyschläger werden beim Feldhockey verwendet. Der Schläger dient zum Spielen des Balles und weist einen langen Griff und ein gekrümmtes oder abgewinkeltes Element am unteren Ende auf. Mit diesem abgewinkelten Element wird in der Regel der eigentliche Ballkontakt hergestellt.
An Hockeyschläger werden hohe mechanische Anforderungen gestellt. Zum einen sollen sie möglichst leicht sein, zugleich aber eine hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und zudem haltbar und belastungsfähig sein.
Hockeyschläger werden überwiegend aus Maulbeerbaumholz hergestellt. Dabei werden die gängigen Bearbeitungstechniken des Holzhandwerkes verwendet.
Neuerdings werden Hockeyschläger auch in Kunststoffbauweise hergestellt. Dabei kommen im Wesentlichen die Verfahren SMC (Sheet Molding Compound), RTM (Resin Transfer Molding) und das Hand Lay-up-Verfahren zum Einsatz.
Beim SMC-Verfahren werden SMC-Matten, d. h. Matten aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern, hergestellt. Da die Viskosität der Faserharzmasse unter Hitze und Druck abnimmt, kann die Masse samt der darin isotrop verteilten Verstärkungsfasern in eine geschlossene Form fließen. Das duroplastische Material wird in der Form vernetzt, so dass der Schläger gebildet wird.
Beim RTM-Verfahren wird die Formmasse z. B. ein niedrigviskoser Duroplast, mittels Kolben über ein oder mehrere Kanäle in das geschlossene Werkzeug eingespritzt. Das eingespritzte Harz füllt alle Hohlräume in der Pressform, tränkt das Verstärkungsmaterial und benetzt die gesamte Oberfläche. Hier kommen zur Verstärkung unterschiedliche Faserarten zum Einsatz, z. B. Endlosfasern, Matten oder Gewebe. Das Formteil härtet unter Hitze im Werkzeug aus.
Beim Hand Lay-up-Verfahren werden mehrere Mattenlagen mit Harz getränkt und in eine Form um einen Kern eingelegt. Durch die beheizte Form härtet der Duroplast aus.
In der Spritzgießtechnologie sind die Gas-Injektion-Technik und die Wasser-Injektion-Technik bekannt. Siehe hierzu beispielsweise DE 2106546 . Bei diesen sogenannten Sonderverfahren wird die Form nur zu einem Teil mit der Formmasse gefüllt, die an den kalten Kavitätswänden erstarrt, und dann ein Fluid, z. B. Druckluft oder Wasser, in den vorgefüllten Bereich der Kavität eingeleitet. Das Fluid verdrängt die noch flüssige Seele, bildet einen Hohlraum und treibt die Fließfront bis zur vollständigen Ausformung des Formteils voran.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtbauteils, z. B. eines Hockeyschlägers anzugeben, das leicht industriell verwendet werden kann und die Herstellung von Leichtbauteilen mit verschiedenen gewünschten mechanischen Eigenschaften erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:

i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht,
ii) Einlegen mindestens eines Verstärkungselementes in die Kavität,
iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität,
iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität und
v) Entformen des Leichtbauteils.

Durch das Einspritzen des Kunststoffmaterials wird das Verstärkungselement umspritzt oder hinterspritzt, so daß nach dem Erstarren der Schmelze das eingespritzte Kunststoffmaterial und das Verstärkungselement eine Einheit bilden.
Die Kavität wird in Schritt iii) nicht vollständig mit der Schmelze gefüllt, sondern nur zum Teil, beispielsweise zu 50–95%. Danach wird das Fluid (Schritt iv)) in die Kavität eingebracht. Das Fluid treibt die Schmelzefront nach vorne bis die Kavität gefüllt ist. Dabei wird die Schmelze durch das Fluid aufgeblasen und an die Kavitätenwände gedrückt, so daß sich ein Hohlteil ausbildet. Nach dem Erstarren der Kunststoffschmelze kann das Fluid entnommen werden. Gegebenenfalls kann die Fluideintrittsöffnung durch nochmaliges Einspritzen einer kleinen Menge der Kunststoffschmelze verschlossen werden.
Als Fluid kann beispielsweise Luft oder Wasser oder eine Kombination aus beidem verwendet werden.
In solchen Fluidinjektionsverfahren werden hohle Leichtbauteile hergestellt. 1 zeigt schematisch ein solches Leichtbauteil in einer perspektivischen Schnittansicht. Deutlich zu erkennen ist der Hohlraum 2, der von der erstarrten Formmasse 1 umgeben wird.
Diese Bauteile weisen jedoch im Allgemeinen nur eine geringe Festigkeit auf, so daß Ihre Einsatzgebiete beschränkt sind.
Daher können z. B. Hockeyschläger nicht im Fluidinjektionsverfahren hergestellt werden, da die mechanische Festigkeit nicht ausreicht. Zudem wird ein Hockeyschläger im Gebrauch unterschiedlich beansprucht. So gibt es bestimmte Bereiche des Hockeyschlägers, die mechanisch stärker beansprucht werden als andere Teile. In diesen Bereichen wäre eine erhöhte Dicke des Leichtbauteils wünschenswert, was jedoch mit dem Fluidinjektionsverfahren nicht verwirklichbar ist. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften spritzfähiger Materialien für besonders hohe mechanische Beanspruchungen nicht ausreichend.
Aus diesem Grunde schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass vor dem Einspritzen des Kunststoffmaterials ein Verstärkungselement in die Kavität eingelegt wird. Dieses Verstärkungselement sorgt an der Stelle, an der es in die Form eingelegt wurde, für eine mechanische Verstärkung, so dass punktgenau die mechanischen Eigenschaften des Leichtbauteils angepasst werden können.
Es hat sich gezeigt, dass als geschmolzenes Kunststoffmaterial im Schritt iii) am besten ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder Polyamid 6.6, PEEK, PBT, PP oder ABS verwendet wird. Dabei ist es für viele Anwendungsfälle von Vorteil, wenn das thermoplastische Material faserverstärkt ist und zwar vorzugsweise mit einem Faseranteil zwischen 1 und 60%.
Auch das Verstärkungselement, welches in die Kavität eingelegt wird, ist mit Vorteil ein faserverstärktes Profilelement, vorzugsweise ein Extrudat, Pultrudat oder ein im Wickelverfahren hergestelltes Hochleistungsbauteil.
Das Verstärkungselement besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, z. B. aus Polyamid 6 oder Polyamid 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS. Auch das Verstärkungselement ist vorzugsweise faserverstärkt und zwar besonders bevorzugt mit einem Faseranteil zwischen 1 und 70%. Für das Verstärkungselement werden besonders bevorzugt Endlosfasern verwendet.
Grundsätzlich ist es von Vorteil wenn der Anteil an Fasern im Verstärkungselement größer als im spritzfähigen Kunststoffmaterial ist.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial einen vergleichbaren Schmelzpunkt haben, da dann beim Injizieren der geschmolzenen Kunststoffmasse das bereits in die Kavität eingelegte Verstärkungselement an der Oberfläche aufschmilzt und sich mit der eingespritzten Kunststoffmasse untrennbar verbindet.
Am Besten besteht daher das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der gleichen Kunststoffmatrix, wobei sich die Glasfaseranteile unterscheiden können.
Je nach Anwendungsfall kann das Verstärkungselement derart in der Kavität angeordnet werden, dass es um oder hintergespritzt wird. Bei der Umspritzung ist das Verstärkungselement nach dem Einspritzen des geschmolzenen Kunststoffmaterials und des Einbringens des Fluids in die Kavität vollständig vom eingespritzten Kunststoffmaterial umgeben. Beim Hinterspritzen bildet eine Oberfläche des Verstärkungselementes einen Teil der Oberfläche des herzustellenden Leichtbauteils. Mit anderen Worten ist beim Hinterspritzen das Verstärkungselement untrennbar in das geschmolzene Kunststoffmaterial eingelegt, wobei eine Oberfläche des Verstärkungselementes frei liegt.
Das Vorsehen von einem Verstärkungselement hat zudem den Vorteil, dass dessen mechanische Eigenschaften gezielt ausgewählt werden können. Zudem kann das Verstärkungselement über seine Länge, Breite und/oder Dicke variierende mechanische Eigenschaften haben. Beispielsweise könnte die Dicke des Verstärkungselementes variieren. Zudem könnte das Verstärkungselement Abschnitte aufweisen, mit erhöhtem Faseranteil.
Weiterhin ist es denkbar, dass im Schritt ii) mindestens zwei Verstärkungselemente mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in die Kavität eingelegt werden. Dadurch ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Leichtbauteils exakt einzustellen, um ein Bauteil bereitzustellen, dessen mechanische Eigenschaften entlang seiner Ausdehnung variieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt iv) der Fluiddruck variiert, um die Wanddicke des Bauteils zu variieren.
Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn der durch das Fluid entstandene Hohlraum zumindest teilweise ausgeschäumt wird.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können mit nur einer Form nahezu beliebig viele unterschiedliche Hockeyschläger hergestellt werden. Die Anpassung des Hockeyschlägers an die individuellen Bedürfnisse erfolgt im wesentlichen über die Auswahl des (oder der) Verstärkungselementes und/oder des Fluiddrucks während Schritt iv) und gegebenenfalls über die Auswahl des einzuspritzenden Materials.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und den dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 eine perspektivische Schnittansicht eines Leichtbauteils des Standes der Technik und
2 eine perspektivische Schnittansicht.
In 1 ist eine perspektivische Schnittansicht des Leichtbauteils gezeigt, wie es beispielsweise durch ein Gasinjektionsverfahren im Stand der Technik hergestellt wird. Dieses Leichtbauteil hat in Längsrichtung im Wesentlichen homogene mechanische Eigenschaften. Zudem werden die mechanischen Eigenschaften durch das verwendete Kunststoffmaterial bestimmt.
In 2 ist in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Leichtbauteil gezeigt. Zu erkennen ist, dass das Leichtbauteil zwei Verstärkungselemente 3 aufweist, die mit dem plastifizierten Kunststoff hinterspritzt wurden. Diese Verstärkungselemente werden bevorzugt an denjenigen Stellen des Leichtbauteils angeordnet, die einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Die Verwendung von Verstärkungselementen hat zur Folge, dass die Bauteildicke an denjenigen Stellen, an denen das Verstärkungselement positioniert wird, erhöht wird, was bereits zu einer erhöhten Steifigkeit führt, und zum anderen die mechanischen Eigenschaften durch die mechanischen Eigenschaften des Verstärkungselementes bestimmt werden.
Es ist daher möglich, z. B. ein hoch fasergefülltes Pultrodat als Verstärkungselement zu verwenden, um die Zug- und Druckkräfte im Gebrauch aufzunehmen.
Das Verstärkungselement ist vorzugsweise, um eine bessere Verbindung mit dem eingespritzten Kunststoffmaterial zu erreichen, im Querschnitt in Richtung der Bauteilaußenwand konisch zulaufend, wie in 2 zu erkennen ist.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, Leichtbauteile, z. B. Hockeyschläger oder Tennisschläger, industriell anzufertigen.
Zudem können mit ein und derselben Form Leichtbauteile mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Soll beispielsweise ein Hockeyschläger hergestellt werden, der besonders elastische Eigenschaften aufweist, kann dieselbe Form verwendet werden, wobei dann elastischere Verstärkungselemente in die Kavität eingelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2106546 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Leichtbauteils mit den Schritten i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht, ii) Einlegen eines Verstärkungselement in die Kavität, iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität und iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität v) Entformen des Bauteils aus der Form.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iv) als Fluid Luft und/oder Wasser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) als geschmolzenes Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS und zwar besonders bevorzugt mit Faseranteilen zwischen 1 und 60%, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement ein faserverstärktes Profilement, vorzugsweise ein Extrudat, Pultrudat oder im Wickelverfahren hergestelltes Hochleistungsbauteil ist,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement aus einem thermoplastischen Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS und zwar besonders bevorzugt mit Faseranteilen zwischen 1 und 70%, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der gleichen Kunststoffmatrix bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) das Verstärkungselement umspritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) das Verstärkungselement hinterspritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) ein Verstärkungselement verwendet wird, dessen mechanische Eigenschaften über die Länge, Breite und/oder Dicke des Verstärkungselement variieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) mindestens zwei Verstärkungselemente mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in die Kavität eingelegt werden.
Leichtbauteil hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Leichtbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es als Sportgerät, insbesondere als Hockeyschläger ausgebildet ist.