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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffbauteils,
insbesondere für ein Fahrzeug.
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Aus
dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass Strukturbauteile
und Semistrukturbauteile insbesondere im Fahrzeugbau aufgrund von
hohen Stabilitäts- und Festigkeitsanforderungen häufig aus
metallischen Werkstoffen, wie Stahl oder Aluminium, hergestellt
werden. Diese metallischen Werkstoffe weisen jedoch ein hohes Gewicht
auf, so dass verschiedene Bauteile aus so genannten faserverstärkten
Kunststoff-Strukturen gebildet sind, welche sich durch eine hohe
Stabilität und Festigkeit sowie gleichzeitig durch ein
geringes Gewicht auszeichnen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen dreidimensionalen Faserverbundkunststoffbauteils
ist aus der
DE 101 61 773 bekannt.
Zur Herstellung von Faserverbundkunststoffbauteilen, die sich durch
eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht auszeichnen,
wird ein dreidimensional gewebtes Faserhalbzeug in eine Fixierform
eingelegt und anschließend durch ein Fixiermittel in seiner
dreidimensionalen Form fixiert. Dadurch kann sich das Faserhalbzeug
während des weiteren Herstellvorgangs nicht mehr verformen,
wodurch eine hohe Maßhaltigkeit und Formtreue erreicht
wird. Das Fixiermittel wird dabei in flüssiger oder pulverförmiger Form
mit einem geeigneten Werkzeug, beispielsweise einer Sprühpistole
oder einer Bestreuvorrichtung, auf das Faserhalbzeug gebracht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem
Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffbauteils,
insbesondere für ein Fahrzeug, anzugeben. Mittels des Verfahrens
soll es möglich sein, das Faserverbundkunststoffbauteil
in einfacher Art und Weise herzustellen, wobei dieses ein besonders geringes
Gewicht sowie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren
gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffbauteils,
insbesondere für ein Fahrzeug, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus,
dass als Verstärkungsteil zumindest ein lose strukturierter,
aus mit einem Imprägniermittel kerntief voll- oder teilimprägnierten
Multifilament-Fasern gebildeter Textil-Einleger mittels eines Spritzgießwerkzeuges
mit einem Matrixwerkstoff umspritzt und/oder hinterspritzt wird.
Dabei bezeichnet der Begriff Textil-Einleger einen Einleger mit
definierter Textilstruktur, wie insbesondere einem Gewebe, Gestricke
oder Gewirke, aber alternativ oder additiv auch einen Einleger mit
undefinierter Textilstruktur, wie insbesondere einem Vlies oder
Filz. Da das Verfahren den Entfall des Arbeitsschrittes der Fixierung
bzw. Konsolidierung vor der Umspritzung bzw. Hinterspritzung ermöglicht,
ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise sowohl eine Kosten-
als auch eine Zeitersparnis bei der Herstellung des Faserverbundkunststoffbauteils, welches
sich durch ein sehr geringes Gewicht und eine hohe Stabilität
und Festigkeit auszeichnet. Das Verfahren ermöglicht ferner
eine hohe Gestaltungsfreiheit, wobei in einfacher Art und Weise
beispielsweise Hinterschnitte und Rippen erzeugt werden können
sowie daraus folgend eine belastungsgerechte Gestaltung des Faserverbundkunststoffbauteils
möglich ist.
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In
einer gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung werden die Multifilament-Fasern
in einem Strangziehprozess oder Druckimprägnierprozess, welcher
in einer Druckkammer erfolgt, kerntief voll- oder teilimprägniert,
wobei das Imprägniermittel dem Matrixwerkstoff entspricht.
Dadurch wird erreicht, dass im Bereich der Multifilament-Fasern
keine oder zumindest eine sehr geringe Anzahl von Lufteinschlüssen
entsteht, so dass eine verbesserte Verbindung zwischen den Fasern
und dem Matrixwerkstoff entsteht, woraus wiederum eine hohe Festigkeit
und Steifigkeit des Faserverbundkunststoffbauteils resultiert.
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Zusätzlich
wird das Imprägniermittel des Textil-Einlegers in dem Spritzgießwerkzeug
zumindest teilweise aufgeschmolzen, so dass die Verbindung zwischen
den Fasern und dem Matrixwerkstoff weiter verstärkt wird.
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Weiterhin
zeichnet sich das Verfahren durch eine hohe Genauigkeit aus und
ist mit geringen Werkzeugkosten realisierbar, so dass es auch bei
der Herstellung von geringen Stückzahlen wirtschaftlich ausführbar
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein Faserverbundkunststoffbauteil mit einem abgewickeltem Textil-Einleger,
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2 schematisch
ein weiteres Faserverbundkunststoffbauteil mit einem Textil-Einleger,
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3 schematisch
ein weiteres Faserverbundkunststoffbauteil mit einem Textil-Einleger,
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4 schematisch
einen Querschnitt einer kerntief imprägnierten Multifilament-Faser,
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5 schematisch
eine Vorrichtung zur Ausführung eines Strangziehprozesses,
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6 schematisch
ein Spritzgießwerkzeug zum Umspritzen des Textil-Einlegers,
wobei zwei Spritzeinheiten senkrecht zueinander angeordnet sind,
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7 schematisch
ein Spritzgießwerkzeug zum Umspritzen des Textil-Einlegers,
wobei zwei Spritzeinheiten in einer Ebene und sich gegenüberliegend
angeordnet sind, und
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8 schematisch
ein Spritzgießwerkzeug zum Hinterspritzen des Textil-Einlegers,
wobei zwei Spritzeinheiten in einer Ebene und sich gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Faserverbundkunststoffbauteil 1 mit einem eingebrachten
Textil-Einleger 2 dargestellt. Bei dem Faserverbundkunststoffbauteil 1 handelt
es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Z-Strebe
eines Frontendträgers für ein nicht näher
dargestelltes Fahrzeug. Derartige Frontendträger und weitere
im Frontbereich von Fahrzeugen angeordnete Bauteile müssen
eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig geringem
Gewicht aufweisen. Weiterhin sind die dazu verwendeten Faserverbundkunststoffbauteile 1 in
vorteilhafter Weise derart herstellbar, dass diese trotz der hohen
Stabilität zu einem erhöhten Fußgängerschutz
bei einem Aufprall des Fahrzeuges auf eine Person beitragen.
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Der
Textil-Einleger 2 ist aus mit einem Imprägniermittel
kerntief voll- oder teilimprägnierten und lose strukturierten
Multifilament-Fasern 3 gemäß 4 gebildet,
wobei der Textil-Einleger 2 mittels eines in den 5 bis 7 dargestellten
Spritzgießwerkzeuges 4 mit einem Matrixwerkstoff
umspritzt und/oder hinterspritzt wird.
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2 zeigt
ein weiteres Faserverbundkunststoffbauteil 1, bei welchem
es sich wiederum um eine Z-Strebe eines Frontendträgers
für ein Fahrzeug handelt.
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In
das Faserverbundkunststoffbauteil 1 sind mehrere Einlegeteile 5 eingebracht,
bei welchen es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel
um mehrere Buchsen handelt. Diese Einlegeteile 5 werden
entweder während des Umspritzens und/oder Hinterspritzens
in das Faserverbundkunststoffbauteil 1 eingebracht oder
nach diesem eingepresst.
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Ferner
weist das Faserverbundkunststoffbauteil 1 mehrere umspritzte
Rippen 6 auf, welche zu einer Vergrößerung
der mechanischen Stabilität des Faserverbundkunststoffbauteil 1 dienen.
Diese Rippen 6 werden ebenfalls während des Um-
bzw. Hinterspritzens ausgebildet.
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Bei
dem in der 3 dargestellten Faserverbundkunststoffbauteil 1 handelt
es sich um einen Frontendträger, welcher auch als Softnoseträger
bekannt ist. Derartige Frontendträger müssen sich
wie bereits beschrieben durch eine hohe mechanische Stabilität
auszeichnen und sollten gleichzeitig einen erhöhten Fußgängerschutz
bieten.
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Diese
hohe mechanische Stabilität und die dennoch leichte Verformbarkeit
bei einem Aufprall des Fahrzeuges werden mit einem partiellen Einbringen
des Textil-Einlegers 2 in das Faserverbundkunststoffbauteil 1 erzielt,
wobei die übrigen Bereiche beispielsweise in einer so genannten
Sandwich-Bauweise ausgeführt sind.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer zur Erzeugung des Textil-Einlegers 2 verwendeten
imprägnierten Multifilament-Faser 3. Diese Multifilament-Faser 3 besteht
aus mehreren vorzugsweise anorganischen Fasern 3.1, so
genannten Filamenten, bei welchen es sich insbesondere um Endlosfasern
handelt. Diese Fasern 3.1 sind beispielsweise Glasfasern oder
weitere Chemiefasern, welche z. B. aus natürlichen und/oder
synthetischen Polymeren bestehen, welche im Bedarfsfall mit einer
geeigneten Schlichte versehen werden können.
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Zu
einer Imprägnierung der auch als Roving bezeichneten Multifilament-Faser 3 wird
diese in einer nicht näher dargestellten Imprägniereinheit
mit einem vorzugsweise leicht fließfähigen Imprägniermittel 7 versehen,
einer nicht näher dargestellten Druckkammer zugeführt
und in dieser voll- oder teilimprägniert. Als Imprägniermittel 6 eignen
sich dabei insbesondere thermoplastische Polymere, wie Polyamid 6,
Polyamid 6.6 und/oder Polyamid 12, deren Fließfähigkeit
durch eine Erwärmung erzielt wird. Das Imprägniermittel 7 entspricht
dabei vorzugsweise dem Matrixwerkstoff, so dass beim Um- bzw. Hinterspritzen
des aus den Multifilament-Fasern 3 erzeugten Textil-Einlegers 2 eine
stabile Verbindung zwischen den Multifilament-Fasern 3 und
den Matrixwerkstoff entsteht. Die Imprägniereinheit ist
dabei insbesondere unmittelbar nach der Faserherstellung angeordnet,
um weitere Zwischenschritte, wie beispielsweise einen zusätzlichen
Transport, zu vermeiden.
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Vor
einer Erzeugung des technischen Textils, bei welchem es sich vorzugsweise
um zwei- oder dreidimensionale Gewirke, Gestricke oder Gewebe handelt,
wird die Multifilament-Faser 3 abgekühlt, so dass
sich das Imprägniermittel 7 verfestigt. Zu dieser Kühlung
kann die Multifilament-Faser 3 zusätzlich einer
Kühleinheit zugeführt werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise ist es alternativ möglich,
die Multifilament-Faser 3 mit noch nicht vollständig
verfestigtem Imprägniermittel 7 einer nicht näher
dargestellten Web- oder Strickeinheit zuzuführen, da die
Erzeugung des Textils somit erleichtert ist. Aus diesem Grund ist
die Imprägniereinheit vorzugsweise unmittelbar vor der
Web- bzw. Strickeinheit angeordnet, so dass eine zusätzliche Erwärmung
der Multifilament-Faser 3 bei der Verarbeitung zu dem Textil
entfallen kann.
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Die
weiteren Verfahrensschritte zur Herstellung des Textil-Einlegers 2,
wie beispielsweise das Weben oder Stricken und das Um- bzw. Hinterspritzen,
sind von der Einstellung des Imprägniergrades, d. h. der
Voll- oder Teilimprägnierung, der Multifilament-Faser 3 abhängig.
So lassen sich vollimprägnierte Multifilament-Fasern 3 schwerer
weben bzw. stricken als teilimprägnierte, weisen aber den
Vorteil einer besseren Um- bzw. Hinterspritzbarkeit auf. Deshalb
sind bei der Verwendung von vollimprägnierten Multifilament-Fasern 3 sehr
robuste und verschleißgeschützte Verarbeitungseinheiten,
wie beispielsweise Webstühle, erforderlich.
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Eine
alternative Imprägnierung der Multifilament-Faser 3 ist
mittels der in der 5 dargestellten Vorrichtung
zur Ausführung eines Strangziehprozesses ausführbar,
wobei die Multifilament-Fasern 3 in dem Strangziehprozess
ebenfalls kerntief voll- oder teilimprägniert werden. Dabei
entspricht das Imprägniermittel 7 vorzugsweise
wiederum dem Matrixwerkstoff, so dass bei der Um- oder Hinterspritzung
des aus den Multifilament-Fasern 3 gebildeten Textil-Einlegers 2 eine
stabile Verbindung zwischen den Multifilament-Fasern und dem Matrixwerkstoff
erzeugbar ist.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Strangziehverfahren, auch Pultrusionsverfahren
genannt, werden in einem kontinuierlichen Verfahren endlosfaserverstärkte
Kunststoffprofile hergestellt. Des Weiteren sind Rundprofile mit
einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm herstellbar.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Pultrusionsverfahren
als Imprägnierverfahren für einzelne Multifilament-Fasern 3,
die so genannten Rovings, angewandt. Diese Rovings sind vorzugsweise
aus Glasfasern oder anderen Chemiefasern gebildet.
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Der
Roving, welcher bevorzugt eine Stärke von 2400 tex oder
1200 tex aufweist, wird automatisch von einer Spule 8 abgewickelt
und in eine Tränkwanne 9 geführt. In
der Tränkwanne 9 befindet sich als Imprägniermittel 7 eine
thermoplastische Schmelze, z. B. Polyamid 6, Polyamid 6.6 oder
Polyamid 12. Diese Schmelze füllt die Zwischenräume zwischen
den einzelnen Fasern 3.1, d. h. Filamenten der Multifilament-Faser 3.
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Anschließend
wird der mit dem Imprägniermittel 7 getränkte
Roving durch eine beheizte Düse 10 gezogen. Der
Austrittsquerschnitt dieser Düse 10 ist kreisrund
oder ellipsenförmig, wodurch, wie beim herkömmlichen
Pultrusionsverfahren das Profil definiert wird. Der wesentliche
Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen
besteht allerdings in der Dimension und der Bauweise der Düse 10.
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Die
Düse 10 wird in zwei Teilen gefertigt, wodurch
nach der Montage der beiden Bauteile ein kleinerer Durchmesser der
Düse 10 von bis zu 0,01 mm realisiert werden kann.
Somit sind Rovings mit einem Durchmesser kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise
von 0,25 mm bis 0,45 mm, im Pultrusionsverfahren herstellbar. In
Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall ist folglich
der geeignete Durchmesser des Rovings auszugestalten, da somit die
mechanischen Festigkeitseigenschaften, wie Zugfestigkeit, des Rovings
und somit auch des imprägnierten Textil-Einlegers beeinflusst
werden.
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In
der Düse 10 wird die Schmelze des Imprägniermittels 7 mit
dem Roving verdichtet, so dass alle Fasern 3.1 des Rovings
mit dem Imprägniermittel 7 umschlossen sind und
Lufteinschlüsse vermieden werden.
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Im
weiteren Verlauf folgt ein so genanntes Härtungswerkzeug 11,
welches den Roving und diesen umgebende Schmelze des Imprägniermittels 7 abkühlt.
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Nach
dem Härtungswerkzeug 11 ist eine Zieheinheit 12 angeordnet,
die sich von aus dem Stand der Technik bekannten Zieheinheiten von Strangziehvorrichtungen
für große Profile in der Art unterscheidet, dass
der Roving nicht mit einer herkömmlichen Linearzugeinrichtung
aus der Düse 10 gezogen wird, sondern auf einer
Trommel 12.1 aufgewickelt wird. Eine hierzu notwendige
Kraft wird durch das Drehmoment einer Antriebseinheit 12.2 der
Trommel 12.1 erzeugt.
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Der
Durchmesser der Trommel 12.1 sollte dabei wesentlich größer
als der Durchmesser des Rovings sein, da das Aufwickeln nur aufgrund
des kleineren Durchmessers des Rovings möglich ist.
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Der
so entstandene und imprägnierte Roving gemäß 5 wird
anschließend zu dem Textil verarbeitet, aus welchem der
Textil-Einleger 2 hergestellt wird. Dieses technische Textil,
z. B. ein Textilgewebe, eignet sich in vorteilhafter Weise hervorragend
zum Umspritzen bzw. Hinterspritzen mit dem Matrixwerkstoff, da dieser
dem Imprägniermittel entspricht. Somit ist eine optimale
Verbundhaftung zwischen der Multifilament-Faser 3 und dem
Matrixwerkstoff im fertigen Faserverbundkunststoffbauteil 1 gegeben,
woraus eine hohe mechanische Stabilität des Faserverbundkunststoffbauteil 1 resultiert.
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In
den 6 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen
des Spritzgießwerkzeuges 4 zum Umspritzen bzw.
Hinterspritzen des Textil-Einlegers 2 dargestellt.
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Vor
der Zuführung des Textil-Einlegers 2 in das Spritzgießwerkzeug 4 wird
dieser vorzugsweise auf eine gewünschte Struktur zugeschnitten
bzw. durch weitere Verfahrensschritte die konturnahe Endformen des
Faserverbundkunststoffbauteils 1 in diesen eingebracht.
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Der
Textil-Einleger 2 kann alternativ oder additiv vor der
Zuführung in das Spritzgießwerkzeug 4, während
der Zuführung in das Spritzgießwerkzeug 4 oder
in diesem zusätzlich vorgewärmt werden, so dass
das Imprägniermittel 7 während des Umspritzens
bzw. Hinterspritzens zumindest teilweise verflüssigt wird
und eine verbesserte stoffschlüssige Verbindung mit dem
Matrixwerkstoff möglich ist.
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Die
Verwendung von Polyamid 12 als Imprägniermittel 7 und
Matrixwerkstoff bietet aufgrund seiner geringen Schmelztemperatur
die Möglichkeit, dass nur eine geringere oder keine Vorerwärmung vor
dem Umspritzen bzw. Hinterspritzen erforderlich ist. Dabei ist es
jedoch notwendig, dass die Temperatur vor dem Umspritzen bzw. Hinterspritzen
unterhalb der Schmelztemperatur bzw. der Glasübergangstemperatur
des Imprägniermittels 7 liegen, damit dieses sich
nicht vor der Weiterverarbeitung verflüssigt.
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Anschließend
werden die vorzugsweise zugeschnittenen Textil-Einleger 2 mit
Hilfe eines nicht näher dargestellten Greifersystems, wie
beispielsweise von Nadelgreifern mit oder ohne Spannrahmen, in das
Spritzgießwerkzeug 4 eingelegt. Der Textil-Einleger 2 wird über
feste oder bewegliche Werkzeugelemente, die sowohl am äußeren
Rand als auch mitten im Bauteil angebracht sind, fixiert. In einem
darauf folgenden Schritt wird das Spritzgießwerkzeug 4 geschlossen
und der Textil-Einleger 2 wird mit dem Matrixwerkstoff,
welcher dem Imprägniermittel 7 entspricht, um-
und/oder hinterspritzt.
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Das
Umspritzen wird gemäß den 6 und 7 von
zwei Spritzeinheiten 4.1 und 4.2 realisiert, die
den Textil-Einleger gleichzeitig je von einer Seite umspritzen.
Dabei sind die Spritzeinheiten 4.1 und 4.2 gemäß 6 in
einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 180° gemäß 7 zueinander
angeordnet.
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Das
Hinterspritzen des Textil-Einlegers 2 wird mittels des
in der 8 dargestellten Spritzgießwerkzeuges 4 realisiert,
wobei die beiden Spritzeinheiten 4.1 und 4.2 in
einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind.
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Dabei
wird der Textil-Einleger 2 im ersten Schritt mittels der
ersten Spritzeinheit 4.1 von der einen Seite hinterspritzt,
anschließend umgedreht und mit der zweiten Spritzeinheit 4.2 von
der anderen Seite hinterspritzt. Zur Fixierung des Textil-Einlegers 2 in dem
Spritzgießwerkzeug 4 wird vorzugsweise ein Unterdruck
erzeugt, so dass eine Bewegung des Textil-Einlegers 2 während
des Hinterspritzens vermieden wird. Gleichzeitig wird durch den
Unterdruck in vorteilhafterweise das Entstehen von Lufteinschlüssen
vermieden.
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Während
des Umspritzens und des Hinterspritzens wird aufgrund der Wärme
der Schmelze des Matrixwerkstoffes und/oder einer Temperatur des Spritzgießwerkzeuges 4,
welches zusätzlich temperaturregelbare Heizquellen umfassen
kann, das Imprägniermittel 7 des aus den Multifilament-Fasern 3 gebildeten
Textil–Einlegers 2 aufgeschmolzen und mit der
Schmelze des Matrixwerkstoffes verbunden.
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Die
Textil-Einleger 2 sind somit über eine stoffschlüssige
Verbindung und Kohäsions- und/oder Adhäsionskräfte
mit dem Matrixwerkstoff verbunden. Ferner werden die Textil-Einleger über
Formschlüsse, welche z. B. anhand von Durchbrüchen
im Textilgewebe sowie Kanten und/oder Sicken in diesem erzeugt werden,
und/oder die bereits beschrieben Einlegeteile 5, wie z.
B. Metallbuchsen, in den Matrixwerkstoff eingebunden. Nach dem Umspritzen
wird das Faserverbundkunststoffbauteil 1 gekühlt.
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- 1
- Faserverbundkunststoffbauteil
- 2
- Textilgewebe-Einleger
- 3
- Multifilament-Faser
- 3.1
- Faser
- 4
- Spritzgießwerkzeug
- 4.1
- Spritzeinheit
- 4.2
- Spritzeinheit
- 5
- Einlegeteil
- 6
- Rippe
- 7
- Imprägniermittel
- 8
- Spule
- 9
- Tränkwanne
- 10
- Düse
- 11
- Härtungswerkzeug
- 12
- Zieheinheit
- 12.1
- Trommel
- 12.2
- Antriebseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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