DE102009050807A1

DE102009050807A1 - Spritzprägewerkzeug und Verfahren zum Spritzprägen eines Bauteils, insbesondere eines flächigen, dünnwandigen Innenraumteils für den Fahrgastraum eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102009050807A1
Application number: DE102009050807A
Authority: DE
Inventors: Michael 84416 Hattensperger; Roman 84030 Lesser; Gerhard 84144 Zehentbauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Spritzprägewerkzeug, mit einem Werkzeugunterteil und einem relativ dazu in einer Verfahrrichtung verfahrbaren Werkzeugoberteil, die im geschlossenen Zustand des Spritzprägewerkzeugs eine Formkavität bilden, wobei das Werkzeugunterteil und das Werkzeugoberteil im Wesentlichen ebene, zum Abdichten der Formkavität vorgesehene Berühr-/Dichtflächen aufweisen, die im geschlossenen Zustand des Spritzprägewerkzeugs aneinander anliegen. Die Berühr-/Dichtflächen sind schräg zur Verfahrrichtung und schließen mit der Verfahrrichtung einen Winkel (α) im Bereich zwischen 5° und 30° ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzprägewerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Spritzprägen eines Bauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4.
Kunststoffbauteile für Fahrgastinnenräume von Fahrzeugen, wie z. B. Instrumententafelabdeckungen sollen einerseits eine hinreichende Festigkeit und andererseits eine gewisse Elastizität aufweisen, um eine hochwertige Haptik zu vermitteln und im Falle eines Unfalls, z. B. bei einem Kopfaufprall, in gewissem Umfang nachzugeben. Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Komponenten ist in der DE 100 62 557 A1 beschrieben. Bei der DE 100 62 557 A1 wird in einem sogenannten Spritzguss-Integralschaum-Verfahren (SGI-Verfahren) eine mit Treibmittel versetzte thermoplastische Kunststoffmasse in den Formhohlraum eines Werkzeugs eingebracht und anschließend durch Vergrößerung des Formhohlraums aufgeschäumt. Die Bauteildicken derartiger Bauteile liegen vor dem Aufschäumen bei z. B. 2,0 mm und nach dem Aufschäumen bei 3,5–4 mm.
Je geringer die Bauteildicke vor dem Aufschäumen ist, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass aufgrund von Scherkräften beim Einspritzen flüssigen Kunststoffmaterials Materialschädigungen auftreten. Dies ist insbesondere bei Kunststoffschmelzen der Fall, in denen lange Verstärkungsfasern enthalten sind. Ferner kommt es bei geringen Bauteildicken zu einer Verschlechterung der Maßhaltigkeit, zu einer inhomogenen Schaumstruktur mit Fehlstellen, wie z. B. unaufgeschäumten Bereichen oder Bereichen mit Faltenbildung. Je geringer die Bauteildicke ist, um so mehr Anspritzpunkte werden benötigt, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spritzprägewerkzeug und ein Verfahren zum Spritzprägen von Bauteilen anzugeben, mit dem auch Bauteile mit geringer Dicke in hoher Qualität herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Spritzprägewerkzeugs ist ein Werkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem relativ dazu in einer Verfahrrichtung verfahrbaren Werkzeugoberteil. Das Werkzeugunterteil und das Werkzeugoberteil bilden im geschlossenen Zustand eine Formkavität. Das Werkzeugunterteil und das Werkzeugoberteil weisen jeweils eine im Wesentlichen ebene, zum Abdichten der Formkavität vorgesehene Berühr- bzw. Trenn- oder Dichtfläche auf. Die Dichtflächen liegen im geschlossenen Zustand des Spritzprägewerkzeugs aneinander an.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Berühr- bzw. Trenn- oder Dichtflächen schräg zur Verfahrrichtung sind, derart, dass die Berühr- bzw. Trenn- oder Dichtflächen mit der Verfahrrichtung einen Winkel einschließen, der im Bereich zwischen 5° und 30° liegt. Durch das Merkmal, dass die Berühr-/Dichtflächen schräg zur Verfahrrichtung sind, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung insbesondere gegenüber der eingangs erwähnten DE 100 62 557 A1 , wo die Berühr-/Dichtflächen des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs bei geschlossenem Werkzeug ”stumpf” aneinander anliegen, d. h. senkrecht zur Verfahrrichtung des Oberwerkzeugs sind. Das Merkmal, dass die Berühr-/Dichtflächen schräg zur Verfahrrichtung sind, unterscheidet den Gegenstand des Patentanspruches 1 insbesondere auch von herkömmlichen Tauchkantenwerkzeugen, d. h. von Werkzeugen, bei denen das eine Werkzeug in das andere Werkzeug ”eintaucht” und die Werkzeughälften entlang ihrer Berühr-/Dichtflächen aneinander gleiten. Bei derartigen Tauchkantenwerkzeugen müssen die Berühr-/Dichtflächen extrem maßhaltig sein, was insbesondere bei größeren Werkzeugen, d. h. bei Werkzeugen, deren Länge bzw. Breite im Bereich von 1 m oder mehr liegt, sehr teuer ist. Derartige Tauchkantenwerkzeuge sind auch relativ verschleiß- und störanfällig. Im Unterschied dazu wird bei einem Werkzeug gemäß der Erfindung beim Zusammenfahren der Werkzeughälften ein Verkanten der Werkzeughälften vermieden.
Versuche haben gezeigt, dass der Winkel, welchen die Berühr-/Dichtflächen mit der Verfahrrichtung einschließen, vorzugsweise im Bereich zwischen 10° und 20° liegen sollte. Besonders vorteilhaft erscheint ein noch kleinerer Winkelbereich, z. B. im Bereich zwischen 12 und 18°. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Winkel von ca. 15° herausgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 4 arbeitet mit dem oben beschriebenen Werkzeug. Zu Beginn eines Spritzprägevorgangs wird das Spritzprägewerkzeug in eine Ausgangsstelle gebracht, in der das Werkzeug leicht geöffnet ist, so dass sich die Berühr-/Dichtflächen gerade nicht berühren. Anschließend, d. h. bei leicht geöffnetem Spritzprägewerkzeug, wird flüssige Schmelze in den die Formkavität bildenden Bereich zwischen den beiden Werkzeugteilen eingebracht, wobei der Bereich der Formkavität teilweise mit flüssiger Schmelze befüllt wird. Sobald ein gewisser ”Füllgrad” erreicht ist, wird das Spritzprägewerkzeug geschlossen bzw. zusammengefahren, wobei kontinuierlich weiter flüssige Schmelze in den Bereich der Formkavität eingespritzt bzw. eingebracht wird. Das Schließen des Spritzprägewerkzeugs ist beendet, wenn die Berühr-/Dichtflächen aneinander anliegen. Wenn das Spritzprägewerkzeug geschlossen ist, wird es vollständig gefüllt, bis ein der Innenkontur der Formkavität entsprechender ”Vorspritzling”, d. h. ein Halbfertigteil vorliegt. In einem weiteren Fertigungsschritt wird das Spritzprägewerkzeug um einen vorgegebenen ”Schäumhub” geöffnet, wobei der Vorspritzling zu dem herzustellenden Bauteil aufschäumt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung beginnt das oben beschriebene Schließen des Spritzprägewerkzeugs, wenn der Bereich der Formkavität etwa zur Hälfte befüllt ist. ”Etwa zur Hälfte” bedeutet, dass der Bereich der Formkavität in einem Bereich zwischen 35% und 65% mit flüssiger Schmelze befüllt ist.
Das teilweise Öffnen des Spritzprägewerkzeugs, d. h. das Aufschäumen des Vorspritzlings, beginnt vorzugsweise erst dann, wenn Oberflächenbereiche des Vorspritzlings zumindest bereits teilweise verfestigt bzw. erstarrt sind, so dass die Oberfläche des Vorspritzlings während des Aufschäumens nicht beschädigt wird. In seinem Innern sollte der Vorspritzling jedoch noch hinreichend flüssig sein, so dass der gewünschte Aufschäumgrad erreicht wird.
Bei dem für die Herstellung des Bauteils verwendeten Material kann es sich beispielsweise um ein Thermoplastmaterial, wie z. B. Polypropylen, handeln, das mit einem das Aufschäumen bewirkenden Treibmittel versetzt ist.
Zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit können in dem verwendeten Kunststoffmaterial Fasermaterialien, wie z. B. Glasfasern oder Kohlefasern und/oder Füllstoffpartikel fein verteilt sein.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1–5 zeigen ein Spritzprägewerkzeug gemäß der Erfindung sowie die einzelnen Verfahrensschritte zum Spritzprägen eines Bauteils gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Spritzprägewerkzeug 1, bestehend aus einem Werkzeugunterteil 2 und einem Werkzeugoberteil 3, das relativ zu dem Werkzeugunterteil 2 in einer Verfahrrichtung 4 verfahrbar, d. h. offenbar bzw. schließbar ist. Innenseiten 5, 6 des Werkzeugunterteils 2 bzw. des Werkzeugoberteils 3 definieren eine Formkavität 7.
In das Werkzeugoberteil 3 ist eine Beschickungsvorrichtung 8 integriert, über die schmelzflüssiges Kunststoffmaterial 9 über einen oder mehrere Anspritzpunkte in die Formkavität 7 eingebracht werden kann. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem Werkzeugoberteil 3 ein Anspritzpunkt 10 vorgesehen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weisen das Werkzeugunterteil 2 und das Werkzeugoberteil 3 einander zugeordnete Berühr- bzw. Trenn- oder Dichtflächen 11, 12 bzw. 11', 12' auf. Die Berühr- bzw. Trenn- oder Dichtflächen 11, 12 bzw. 11', 12' sind, wie aus 1 ersichtlich ist, schräg zur Verfahrrichtung 4 und schließen mit der Verfahrrichtung 4 einen Winkel α ein, der z. B. bei 15° liegt.
1 zeigt das Spritzprägewerkzeug 1 in seiner Ausgangsstellung zu Beginn eines Spritzprägevorgangs. In der Ausgangsstellung ist das Spritzprägewerkzeug leicht geöffnet. ”Leicht geöffnet” bedeutet hier, dass die Berühr-/Dichtflächen 11, 12 bzw. 11', 12' einen Abstand x von z. B. 0,1 mm haben. Im Vergleich dazu beträgt bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der maximale Abstand der Werkzeuginnenfläche 5 des Werkzeugunterteils 2 von der Innenfläche 6 des Werkzeugoberteils 3 etwa 2,2 mm.
2 zeigt das Einspritzen der flüssigen Schmelze in den Bereich der Formkavität 7, welche sich allmählich mit dem flüssigen Kunststoffmaterial füllt. Wenn die Formkavität 7 etwa zur Hälfte mit flüssigem Kunststoffmaterial befüllt ist, wird das Spritzprägewerkzeug 1 geschlossen. 3 zeigt einen Zustand, bei dem die Formkavität des Spritzprägewerkzeugs bereits fast vollständig mit flüssiger Schmelze befüllt und das Spritzprägewerkzeug nahezu vollständig geschlossen ist.
4 zeigt den Zustand, in dem das Spritzprägewerkzeug 1 vollständig geschlossen ist, d. h. bei dem die Berühr-/Dichtflächen 11, 12 aneinander anliegen und die Formkavität abdichten. Die Formkavität wird dann vollständig mit flüssiger Schmelze gefüllt. Der auf diese Weise erhaltene ”Vorspritzling 13” beginnt an seiner Oberfläche, d. h. an seiner den Werkzeuginnenflächen 5, 6 zugewandten Außenseite, von außen nach innen abzukühlen. Sobald die Oberfläche des Vorspritzlings 13 teilweise verfestigt bzw. erstarrt ist, wird das Spritzprägewerkzeug 1 auf einen Schäumhub Z' von z. B. 4,0 mm geöffnet. Das in dem Kunststoffmaterial enthaltene Treibmittel bewirkt, dass der Vorspritzling 13 beim teilweisen Öffnen des Spritzprägewerkzeugs (vgl. 5) zum fertigen Bauteil aufschäumt. Das Aufschäumen findet primär im Innern des Vorspritzlings 13 statt, da Rand- bzw. Oberflächenbereiche des Vorspritzlings zumindest teilweise bereits erstarrt sind.
Ein wesentlicher Aspekt des Grundprinzips der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Formkavität des Spritzprägewerkzeugs 1 bei teilweise geöffnetem Spritzprägewerkzeug 1 befüllt wird und das Spritzprägewerkzeug 1 erst gegen Ende des Befüllvorgangs geschlossen wird. Dadurch wird erreicht, dass auch relativ dünnwandige Vorspritzlinge 13 in hoher Qualität bzw. mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden können. Je dünner der Vorspritzling 13, desto weniger Spritzgussmaterial wird benötigt, was in einer Großserienfertigung zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen kann. Versuche haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Spritzprägewerkzeug 1 bzw. dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren ca. 10% Kunststoffmaterial eingespart werden kann, ohne dass sich die Dicke des herzustellenden Bauteils 13' (vgl. 5) verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10062557 A1 [0002, 0002, 0007]

Claims

Spritzprägewerkzeug (1), mit einem Werkzeugunterteil (2) und einem relativ dazu in einer Verfahrrichtung (4) verfahrbaren Werkzeugoberteil (3), die im geschlossenen Zustand des Spritzprägewerkzeugs (1) eine Formkavität (7) bilden, wobei das Werkzeugunterteil (2) und das Werkzeugoberteil (3) im Wesentlichen ebene, zum Abdichten der Formkavität (7) vorgesehene Berühr-/Dichtflächen (11, 12; 11', 12') aufweisen, die im geschlossenen Zustand des Spritzprägewerkzeugs (1) aneinander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Berühr-/Dichtflächen (11, 12; 11', 12') schräg zu der Verfahrrichtung (4) sind und mit der Verfahrrichtung (4) einen Winkel (α) einschließen, der im Bereich zwischen 5° und 30° liegt.
Spritzprägewerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) im Bereich zwischen 10° und 20° liegt.
Spritzprägewerkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) etwa 15° beträgt.
Verfahren zum Spritzprägen eines Bauteils (13'), insbesondere eines flächigen, dünnwandigen Bauteils (13'), mittels eines Spritzprägewerkzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Spritzprägewerkzeug (1) in eine Ausgangsstellung gebracht wird, in der das Spritzprägewerkzeug (1) geöffnet, insbesondere leicht geöffnet, ist, so dass die Berühr-/Dichtflächen (11, 12; 11', 12') einander gerade nicht berühren, wobei folgende Schritte durchlaufen werden: – Einspritzen flüssiger Schmelze (9) in den Bereich der Formkavität (7), wobei der Bereich der Formkavität (7) teilweise mit flüssiger Schmelze (9) befüllt wird, – Weiteres Einspritzen flüssiger Schmelze (9) in den Bereich der Formkavität (7) und Schließen des Spritzprägewerkzeugs (1), so dass die Berühr-/Dichtflächen (11, 12; 11', 12') gegeneinander gefahren werden und einander berühren, – Herstellen eines Vorspritzlings (13) durch vollständiges Befüllen der Formkavität (7) mit flüssiger Schmelze (9), – teilweises Öffnen des Spritzprägewerkzeug (1) um einen vorgegebenen Schäumhub (Z'), wobei das in der Formkavität (7) befindliche Material (9) zu dem herzustellenden Bauteil (13') aufschäumt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Spritzprägewerkzeugs (1) beginnt, wenn der Bereich der Formkavität (7) etwa zur Hälfte mit Schmelze gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise Öffnen des Spritzprägewerkzeugs erst dann beginnt, wenn Oberflächenbereiche des Vorspritzlings (13) zumindest teilweise verfestigt bzw. erstarrt sind, so dass das Aufschäumen des Vorspritzlings (13) primär in einem Kernbereich des Vorspritzlings (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schmelze (9) um ein Thermoplastmaterial handelt, insbesondere um Polypropylen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Schmelze bildende Material ein Treibmittel enthält, welches das Aufschäumen bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem die Schmelze bildenden Material Füllstoffe und/oder Faserelemente, insbesondere Glas- und/oder Kohlefaserelemente, fein verteilt sind.