DE102010052180A1

DE102010052180A1 - Spritzgusswerkzeug und Faserimprägnier- und Konsolidierungsverfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern und Faserverbund-Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102010052180A1
Application number: DE102010052180A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Eckhard (FH) Reese
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Faserverbund-Kunststoffbauteil und ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung von solchen Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern (3) und einem thermoplastischen Matrixmaterial bereit, wobei das Spritzgusswerkzeug eine erste Werkzeughälfte (1) und eine zweite Werkzeughälfte (2) aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind und Formbereiche aufweisen, zeug weist einen Vibrationsaktor (5) in einer der Werkzeughälften (1, 2), und Induktoren (4) auf, die nahe den Formbereichen an zumindest einer der ersten und der zweiten Werkzeughälften (1, 2) angeordnet sind. Ferner weist das Spritzgusswerkzeug eine nahe den Formbereichen an zumindest einer der ersten und der zweiten Werkzeughälften (1, 2) angeordnete Werkzeugkühleinrichtung (6), die von einer Fördervorrichtung (10) mit einem Kühlmedium versorgt wird, und eine an der ersten oder der zweiten Werkzeughälfte (1, 2) angeordnete Extrudereinheit (7) auf, von der sich ein Injektionskanal (7') zu wenigstens einer Einspritzvorrichtung (7''), die zum Einspritzen an der Kavität (K) angeordnet ist, erstreckt. Mit der Kavität (K) ist über eine Entlüftungsleitung (9') eine Vakuumpumpe (9) verbunden. Ferner offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern (3) und einem thermoplastischen Matrixmaterial sowie ein Faserverbund-Kunststoffbauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern sowie das Faserverbund-Kunststoffbauteil selbst.
Aus dem Stand der Technik sind vollkonsolidierte thermoplastische Prepregs (Organobleche) als planare Halbzeuge bekannt. Unter Organoblechen werden Faserverbundhalbzeuge in Form von faserverstärkten Thermoplastplatten verstanden. Solche Faserverbundkomponenten-Einleger (FVK-Einleger) werden derzeit zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen außerhalb des Werkzeuges erwärmt und räumlich getrennt vorgeformt. Die Herstellung derartiger Faserverbund-Kunststoffbauteile aus solchen faserverstärkten Thermoplastplatten erfordert bis dato mehrere Einzelverfahren, in denen die verschiedenen Prozessschritte durchgeführt werden.
Bei bestehenden Spritzgießverfahren wird die zwischen zwei Werkzeughälften eines Spritzgusswerkzeugs umfasste Kavität bzw. die die Kavität begrenzenden Formbereiche des Werkzeugs in der Regel während des Spritzgießprozesses, teilweise allerdings auch vor dem Spritzgießprozess oder nach Abschluss des Spritzprozesses erwärmt, um ein vorzeitiges Erstarren eines eingespritzten Kunststoffs zu verhindern.
Durch die DE 10 2006 040 748 A1 ist ein Spritzgussverfahren für faserverstärkte Kraftfahrzeugteile bekannt, mit dem sich faserverstärkte Exterieur- oder Interieurteile von Kraftfahrzeugen komplexer Geometrien oder wechselweise verstärkten und unverstärkten Bereichen in einfacher Weise und kostengünstig herstellen lassen. Dazu wird ein nicht konsolidierter Textil- oder Struktureinleger aus Hybridgarn hergestellt, der dann zumindest in der Randzone auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern vor oder beim Einbringen in eine Spritzgießform vorgewärmt wird. Dort wird der Textileinleger mit einem Thermoplasten bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Fasern umspritzt, wobei diese zumindest in der Randzone des Textileinlegers aufgeschmolzen werden. Danach erfolgen Abkühlung und Entnahme des fertigen Bauteils.
DE 10 2006 039 780 A1 betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Temperierung beim Spritzgießen von Formteilen, indem Formbereiche einer Kavität eines Spritzgießwerkzeugs induktiv erwärmt werden. Damit sollen die Formteiloberflächenqualität verbessert und die Zykluszeiten verringert werden. Das Verfahren besteht darin, dass vor dem Befüllen der Kavitäten eines Spritzgießwerkzeugs durch eine Lageänderung der beweglichen Werkzeughälften Induktoren, die in den Werkzeughälften integriert sind oder die alternativ externe Induktoren sind, vor gegenüberliegenden Kavitätshälften angeordnet werden, so dass geometrisch begrenzte Bereiche der Wände der Kavitäten beidseitig gerichtet direkt induktiv erwärmt werden. Nach abgeschlossener Erwärmung der Kavitäten erfolgt die Rückführung der Werkzeughälften in ihre Ursprungslage, so dass sich ein Spritzgießschritt anschließen kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine verbesserte Spritzgussanlage beziehungsweise ein verbessertes Werkzeug zur Fertigung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils aus einem „trockenen” Textileinleger bereitzustellen, der nicht oder nicht vollständig imprägniert beziehungsweise konsolidiert ist. Das Werkzeug soll eine Verbindung der verschiedenen erforderlichen Prozessschritte der Faserimprägnierung und -konsolidierung erlauben, um so zu einer Qualitätsverbesserung des gefertigten Faserverbund-Kunststoffbauteils zu kommen.
Diese Aufgabe wird durch ein Spritzgusswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines bezüglich der Zykluszeiten und der Prozesskosten verbesserten Verfahrens zur Fertigung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils aus einem „trockenen” Textileinleger.
Ein Verfahren, das diese Aufgabe löst, wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 beschrieben.
Weiterbildungen des Werkzeugs und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Ferner wird ein Faserverbund-Kunststoffbauteil aus einem Textileinleger, das hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Oberflächenbeschaffenheit und des Bauteilgewichts verbessert ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 10 offenbart.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Spritzgusswerkzeug bzw. eine Spritzgussanlage zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern und einem thermoplastischen Matrixmaterial. Das Spritzgusswerkzeug weist üblicherweise zwei Werkzeughälften auf, die relativ zueinander bewegt werden können und Formbereiche aufweisen, die eine Kavität begrenzen, in die der Textileinleger eingelegt und die Kunststoffschmelze eingespritzt wird. So kann die Faserimprägnierung und Konsolidierung des Textileinlegers ermöglicht werden. Das Spritzgusswerkzeug weist in einer der Werkzeughälften einen Vibrationsaktor auf, mit dem das Werkzeug beziehungsweise der in der Kavität eingelegte Textileinleger in Schwingung versetzt wird. Eine der oder beide Werkzeughälften weisen interne Induktoren auf, die nahe den Formbereichen angeordnet sind und die zur Generierung eines hochfrequenten Wechselmagnetfelds geeignet sind. Eine Werkzeugkühleinrichtung, die von einer Fördervorrichtung mit einem Kühlmedium versorgt wird, ist ebenfalls nahe den Formbereichen an zumindest einer der Werkzeughälften angeordnet. Zudem ist das Spritzgusswerkzeug mit einer Extrudereinheit ausgestattet, die an einer der Werkzeughälften angeordnet ist und von der sich ein Injektionskanal zu einer oder mehreren Einspritzvorrichtungen, die zum Einspritzen der Kunststoffschmelze an der Kavität angeordnet sind, erstreckt. Eine Vakuumpumpe ist über eine Entlüftungsleitung mit der Kavität verbunden.
Anders als im Stand der Technik werden erfindungsgemäß vorteilhaft alle notwendigen Prozesse zum Fertigen eines solchen Faserverbund-Kunststoffbauteils kombiniert in einem einzigen Werkzeug durchgeführt. Dabei wird die Werkzeugoberfläche beziehungsweise die Textileinleger-Kontaktfläche nicht nur induktiv erwärmt, es kann zudem zusammen mit der Werkzeugkühleinrichtung eine variotherme induktive Temperaturregelung durchgeführt werden. Durch die variotherme Temperierung ist die Fließfähigkeit des Thermoplasten sehr hoch und vergrößert somit den Verarbeitungszeitraum. Das erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug unterstützt bei der Spritzgussherstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils die verbesserte Imprägnierung sowie die optimale Konsolidierung des Textileinlegers mit einem thermoplastischen Matrixkunststoff durch die variotherme induktive Temperaturregelung und die in Folge der erzeugten Vibrationen auftretende Faserauflockerung im Textileinleger und ermöglicht dadurch eine Qualitätsverbesserung bei verringerten Kosten. Die Oberflächenstruktur der Organobleche kann durch das gezielte Erwärmen des Werkzeuges erhalten bleiben beziehungsweise sogar verbessert werden. Durch die Kombination etlicher Einzelschritte kann die Wärmebilanz zur Fertigung des spritzgegossenen FVK-Bauteils verbessert und somit Energie und die damit verbundenen Kosten eingespart werden.
Eine weitere Ausführungsform des Spritzgusswerkzeugs bezieht sich auf die Einspritzvorrichtung, die ferner eine regelbare Nadelverschlussdüse umfassen kann. Die Regelung der Einspritzung erfolgt mittels eines oder mehrerer Wegsensoren zur Erfassung der vom Werkzeug ausgeführten Schwingung, wobei der oder die Wegsensoren und der Teil eines Aktuators ist/sind, der die Nadelverschlussdüse betätigt. Dies ermöglicht ein mit der Werkzeug-/Textileinlegerschwingung abgestimmtes Einspritzen der Schmelze des thermoplastischen Kunststoffmatrixmaterials. Der Aktuator kann ein hydraulischer Aktuator sein, der über eine Fluidleitung mit einer Pumpvorrichtung verbunden ist.
Üblicher Weise wird eine Werkzeughälfte eine schließseitige Werkzeughälfte sein und die zweite Werkzeughälfte eine angussseitige, wobei die Extrudereinheit der angussseitigen Werkzeughälfte zugeordnet ist.
Das Spritzgusswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Nebenkavität aufweisen, die zum Auffangen eines Schmelzeüberschusses dient. Die Nebenkavität ist dazu über ein druckgesteuertes Ventil mit der Kavität verbunden. Das Ventil ist mit einem Drucksensor gekoppelt, der an der Kavität angeordnet ist. Zudem umfasst die Nebenkavität zum Abziehen der überschüssigen Schmelze eine Abzugsvorrichtung, die über eine Abzugsleitung mit einer Fördervorrichtung verbunden ist.
Ferner ist es denkbar, dass das Werkzeug mit einer oder mehreren steuerbaren Greifervorrichtungen sowie mit einer Vorwärmvorrichtung gekoppelt ist. Die Greifervorrichtung(en) ist/sind dabei zur Handhabung des Textileinlegers und/oder der Vorwärmvorrichtung derart ausgebildet, dass sie den Textileinleger unter der Vorwärmvorrichtung platzieren und während einer Öffnungsphase des Werkzeugs in das Werkzeug einlegen, oder dass sie den Textileinleger während einer Öffnungsphase des Werkzeugs in das Werkzeug einlegen und die Vorwärmvorrichtung, die insbesondere eine externe Induktoreneinrichtung oder eine Infrarotstrahlungsvorrichtung sein kann, an dem in das Werkzeug eingelegten Textileinleger anordnen.
Der Formbereich zumindest einer der Werkzeughälften, insbesondere der der schließseitigen Werkzeughälfte, kann mit einer wärmeisolierenden Schicht, insbesondere aus einem keramischen Material, ausgekleidet sein. Somit wird nicht die gesamte (schließseitige) Werkzeughälfte temperiert und es kann Energie und Zykluszeit eingespart werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern und einem thermoplastischen Matrixmaterial, das ein ebenfalls erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug verwendet, umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird der Textileinleger auf eine Temperatur unterhalb einer Schmelztemperatur des Matrixmaterials vorgewärmt, nachdem oder bevor er in das Werkzeug eingelegt wird. Der vorgewärmte Textileinleger wird durch Andrücken an einen die Kavität begrenzenden, erwärmten Formbereich einer der Werkzeughälften vorgeformt, woraufhin das Werkzeug geschlossen wird und der Textileinleger durch die Induktoren direkt oder indirekt über die erhitzte Werkzeugoberfläche auf eine Prozesstemperatur temperiert wird. Es folgt das Einspritzen des thermoplastischen Matrixmaterials in die Kavität des Werkzeugs durch die Extrudereinheit, wobei die Prozesstemperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials liegt, gehalten wird, so dass der Textileinleger mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Gleichzeitig wird die Kavität mittels der Vakuumpumpe entlüftet und der eingelegte Textileinleger wird durch den Vibrationsaktor, der Schwingungen erzeugt, in Vibrationen versetzt, um eine bessere Durchdringung des Textileinlegers mit dem Matrixmaterial zu erzielen und den Anteil eingeschlossener Luftblasen zu minimieren. Die Konsolidierung des Faserverbund-Kunststoffbauteils erfolgt durch Ausführen einer Impulskühlvorrichtung mittels der Werkzeugkühleinrichtung. Die Zykluszeit zur Imprägnierung und Konsolidierung eines Halbzeuges kann dadurch deutlich reduziert werden. Auch können die Prozesskosten durch die prozessgeführte Temperierung gesenkt werden.
Das thermoplastische Matrixmaterial kann dabei nanoskalige Partikel aus einem ferromagnetischen Material enthalten, so dass das hochfrequente Wechselmagnetfeld, das durch die Induktoren erzeugt wird, nicht nur die indirekte Erwärmung der Werkzeughälften bewirkt, sondern durch die zum Schwingen angeregten nanoskaligen Partikel auch direkt zu einer Erwärmung des Nanokomposits führt. Die Kombination von nanoskaligen ferromagnetischen Partikeln, der Entlüftung und der Verdichtung mittels der erzeugten Vibrationen führt zu einer deutlich verbesserten Konsolidierung des trockenen Textils.
Entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass beim Einspritzen des thermoplastischen Matrixmaterials eine Bewegung des Schmelzestroms des Matrixmaterials mit der durch den Vibrationsaktor erzeugten Schwingung abgestimmt wird, so dass die Matrixmaterialschmelze intermittierend oder pulsierend durch die Nadelverschlussdüsen geregelt in die Kavität eingespritzt wird. Die so erzeugte Bewegung des Schmelzestroms ist dann phasenverschoben, aber gleichgerichtet oder simultan zu der Werkzeugbewegung. So kann die Reibung zwischen den Filamenten des Textileinlegers und der Matrixschmelze minimiert und das Eindringen von Matrixmaterial in die gelockerten Fasern des Textileinlegers erleichtert werden. Durch die synchronisierte Bewegung kann zudem der Porenanteil reduziert und eine Kostenreduktion erreicht werden, da weniger Energie zur Herstellung des Bauteils benötigt wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Durchführung eines Spritzprägeschritts in dem erfindungsgemäßen Werkzeug. Dabei wird nach dem Imprägnieren des Textileinlegers mit dem thermoplastischen Matrixmaterial, das Werkzeug geöffnet und die Werkzeughälften um einen Prägespalt beabstandet, der vorteilhaft in einem Bereich von 1/10 bis 3/10 mm liegt. Das Werkzeug wird so für eine Zeitdauer in einem Bereich von wenigen Sekunden, beispielsweise 1 bis 10 Sekunden geöffnet gehalten, wobei es gerade zu einer Kontraktion des imprägnierten Textileinlegers kommt. Im nächsten Schritt wird zusätzliches Matrixmaterial in die Kavität eingespritzt, das Werkzeug erneut geschlossen und der Druck auf das zusätzliche Matrixmaterial erhöht, in den imprägnierten Textileinleger einzudringen. Das Ventil zur Nebenkavität wird druckgesteuert geöffnet, um dort eine Überschussmenge des Matrixmaterials aufzufangen, die dann vorteilhaft nach entsprechender Aufbereitung in die Extrudereinheit rückgeführt werden kann.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein geformtes Faserverbund-Kunststoffbauteil, das zumindest einen mit einem thermoplastischen Matrixmaterial umspritzten Textileinleger umfasst, wobei das thermoplastische Matrixmaterial nanoskalige Partikel eines ferromagnetischen Materials umfasst. Ein solches Nanokomposit ermöglicht vorteilhaft die induktive Erwärmung des Matrixmaterials im Wechselmagnetfeld. Alternativ oder zusätzlich kann der Textileinleger elektrisch leitfähige Drähte, insbesondere metallische oder Kohlefaserdrähte aufweisen, die eine definierte Länge und einen definierten Querschnitt aufweisen und unidirektional oder bidirektional in den Textileinleger integriert sind.
Ein solches Gewebe ermöglicht ein „Health-Monitoring” nach einem „Unfall” über eine Widerstandsmessung am daraus hergestellten Bauteil, auch im verbauten Zustand.
Durch die verfahrensgemäß verbesserte Konsolidierung und das Einbringen von Nanopartikeln in das Produkt oder Halbzeug werden bessere mechanische Eigenschaften bis hin zu einer verbesserte Crashintegrität erzielt.
Durch die variotherme Temperierung können Oberflächen hoher Güte abgebildet werden, sogar die Ausbildung sehr feiner oder gar filigraner Oberflächeneigenschaften kann realisiert werden. Die Abbildung von Bindenähten wird vermieden.
Aufgrund einer Verstärkungswirkung durch das verwendete Nanokomposit kann ferner vorteilhaft eine Gewichtsreduzierung erzielt werden. Durch die Materialeinsparung können die Materialkosten einerseits und Brennstoffkosten für den Betrieb eines mit leichteren Materialien gefertigten Fahrzeugs andererseits gesenkt werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs, mit Greifereinrichtung und Infrarotstrahler,
2 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs mit Textileinleger bei noch offenem Werkzeug,
3 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs mit Textileinleger bei geschlossenem Werkzeug,
4 eine Draufsicht auf den Textileinleger mit Greifereinrichtung,
5a, 5b, 6a, 6b schematische Darstellungen der Erwärmung und Ausrichtung der nanoskaligen Teilchen im Textileinleger mittels Wechselmagnetfeld
7 eine perspektivische Ansicht eines externen Induktors beim Einführen in das geöffnete Werkzeug,
8 eine perspektivische Ansicht eines externen Induktors beim Einführen in das geöffnete Werkzeug, mit Greifvorrichtung,
9 eine Seitenschnittansicht des Textileinlegers im geschlossenen Werkzeug bei Temperierung durch die Induktoren, die in der angussseitigen Werkzeughälfte angeordnet sind,
10, 11, 12, 13, 14 Seitenschnittansichten des erfindungsgemäßen Werkzeugs,
15 Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Werkzeugs, bei dem ein Spindelantrieb als Vibrationsaktor eingesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Spritzgusswerkzeug wie es etwa in 1 dargestellt ist. Mit dem Spritzgusswerkzeug können Faserverbund-Kunststoffbauteile aus einem Textileinleger 3 und einem thermoplastischen Matrixmaterial hergestellt werden, wobei das Spritzgusswerkzeug eine schließseitige Werkzeughälfte 1 und eine angussseitige Werkzeughälfte 2 aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind und Formbereiche aufweisen, die die Kavität K begrenzen.
Unter „Textileinleger” wird vorliegend ein Zuschnitt eines nicht konsolidierten, eines teilkonsolidierten oder eines konsolidierten Faserverbundhalbzeug verstanden, das insbesondere ein faserverstärkter Thermoplast ist. Dieser umfasst zumindest einen Thermoplast- und einen organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfaseranteil, und kann etwa ein Hybridtextil aus Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern sein oder ein Textil aus einem homogenen sehr fein verteilten Hybridroving oder ein Hybridgarn sein.
Bei dem thermoplastischen Matrixmaterial kann es sich um einen von dem Thermoplastanteil des Textileinlegers verschiedenen thermoplastischen Kunststoff handeln, alternativ kann das gleiche thermoplastische Material verwendet werden.
In der vorliegenden Beschreibung ist als umspritztes Textilprodukt ein Faserverbund-Kunststoffbauteil genannt. Dabei kann es sich insbesondere um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug handeln, wie etwa einen Frontendträger, eine Z-Strebe, eine Rückwand, einen Pedallagerbock, eine Heckklappe, ein Türgrundträgermodul, eine Tür, eine Stirnwand, eine Multifunktionsmulde etc. Denkbar ist allerdings auch, dass das entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug hergestellte Kunststofffaserverbundprodukt eine Art Halbzeug darstellt, das anschließend noch weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen wird.
Im Folgenden wird das Spritzgusswerkzeug beziehungsweise die Anlage und die darin kombiniert durchgeführten Prozesse beschrieben.
Das Spritzgießen thermoplastischer Formteile an sich ist bekannt. Ein Kunststoffgranulat wird dabei über eine Zuführeinrichtung 12 einer Extruderschnecke 13 zugeführt. Die im Extruder 7 befindliche Förderschnecke 13 verdichtet das Granulat, wobei es sich stark erwärmt (in der Regel bis zur Schmelztemperatur des jeweiligen Kunststoffs). Abhängig vom gewählten Kunststoff ist gegebenenfalls eine zusätzliche Beheizung/Kühlung für den Extruder 7 erforderlich, um die Schmelztemperatur zu erreichen bzw. zu halten. Dazu weist die Extrudereinrichtung 7 eine entsprechende Heizeinrichtung 14 auf. Die Förderschnecke 13 ist hier axial verfahrbar, wodurch ein Einspritzen der geschmolzenen viskosen Kunststoffmasse (die sich jetzt vor der Extruderschnecke 13 befindet) über den Einspritzkanal 7' mittels der Einspritzvorrichtung 7'' möglich ist. Die axiale Verfahrbarkeit ist optional.
Der nun verflüssigte Kunststoff wird in die Kavität K zwischen den Werkzeughälften 1, 2 eingebracht, der Textileinleger 3 durchdrungen und die zu fertigende Endform für das Bauteil wird bedingt durch den Einspritzdruck und das Einspritzvolumen ausgeformt. Die Werkzeughälften 1, 2 werden induktiv mittels der Induktoren 4 beheizt, damit der Abformprozess nicht zu früh beginnt und die eingespritzte Kunststoffmasse möglichst gut fließfähig bleibt. An den Einspritzprozess schließt sich ein Kühlprozess, mittels der Impulskühlvorrichtung 6 an, um ein schnelles Abformen zu erzielen. Durch einen Auswerfer kann das fertig geformte Spritzgussteil ausgeworfen werden und der Prozess ist abgeschlossen.
Das induktive Erwärmen des Werkzeuges dient dazu, die Fließfähigkeit des zu verarbeitenden thermoplastischen Kunststoffs zu erhöhen. Hierdurch werden Bindenahtkerben vermieden, zudem werden kaum bis keine Einfallstellen erzielt. Die Scherung der Kunststoffschmelze beim Durchfließen der Kavität wird minimiert. Auch werden Eigenspannung und Schwindung minimiert, eine vorzeitige Erstarrung der Schmelze wird unterbunden, eine verbesserte Gefügestruktur wird erzielt und es wird eine verbesserte Formteiloberfläche erzielt sowie eine Reduzierung der Zykluszeiten ermöglicht.
Durch die prozessgesteuerte Impulskühlvorrichtung wird schnelles Abformen möglich und die Zyklusdauer wird weiter reduziert. Die Impulskühlvorrichtung hat die Aufgabe, während des Erwärmungsprozesses die Kühlung (Schutz vor Überhitzung, Steuerung der Prozesstemperatur) des Werkzeugs bzw. der Kavität K zu übernehmen. Nach Abschluss des Spritzgießprozesses sorgt die geregelte Impulskühlvorrichtung durch rasches Abkühlen der Kavität für ein schnelles Abformen des Strukturbauteils.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Prozesse für die Imprägnierung/Konsolidierung von den FVK-Textilen im Spritzgussverfahren kombiniert. Das „trockene” Textil (z. B. vorkonsolidierter Hybridroving) beziehungsweise der „trockene” Einleger 3 werden für alle nachfolgenden Schritte auf die nötige Umformtemperatur vorerwärmt. Dies ist in 1 sowie 7 bis 9 gezeigt, wobei die Vorwärmung des Textileinlegers 3 außerhalb des und/oder in dem Werkzeug stattfindet.
In 1 und 8 wird durch eine Greifereinrichtung 17 ein Infrarotstrahler 23 in das geöffnete Werkzeug eingeführt, wo der bereits eingelegte Textileinleger 3 durch die Infrarotstrahlung IR vorgewärmt wird. In 9 erfolgt eine wärmeisolierte Temperierung des Textileinlegers 3 im geschlossenen Werkzeug durch die Induktoren 4, die in der angussseitigen Werkzeughälfte 2 angeordnet sind, während der Formbereich der schließseitigen Werkzeughälfte 1 mit einer Wärme isolierenden Schicht 24 ausgekleidet ist. 7 zeigt die Vorerwärmung des Textileinlegers 3 mittels eines externen Induktors 4', der ebenfalls von einer nicht dargestellten Greifervorrichtung in das geöffnete Werkzeug eingeführt wird. Unter Umständen kann der Textileinleger 3 auch nur im Umformbereich, also nur lokal und partiell erwärmt werden. Schließlich ist es auch denkbar, dass die Vorwärmung durch die im Werkzeug vorliegenden Induktoren 4 erfolgt.
Durch die Vorerwärmung in dem Werkzeug werden die Oberfläche, die Struktur und der Aufbau des Textileinlegers nicht durch einen zu hohen und ggf. unnötigen (eine überhöhte Temperatur wird häufig angewendet, weil das Organoblech schnell auskühlt) Wärmeeintrag beschädigt.
So wird der Textileinleger 3 auf die ideale Temperatur zur stoffschlüssigen Verbindung erwärmt bzw. gehalten. Dies kann gegebenenfalls auch nur in der Kontaktzone beziehungsweise Kontaktfläche zwischen dem Spritzgusswerkzeug und dem Einleger 3 als lokale partielle Erwärmung erfolgen.
Der Thermoplastanteil des Einlegers 3 wird dabei im Werkzeug aufgeschmolzen.
Im Folgenden werden die induktive variotherme Werkzeugzeugtemperierung, das Anlegen eines hochfrequenten Wechselmagnetfelds zur Nanokompositerwärmung, das Vibrationsöffnen der Textileinlegerfasern, ein synchrones Spritzprägen (Überspritzen durch Schmelzestromregelung) und eine Werkzeugtemperierung unter Ausnutzung der Wärmeisolierung genannt und beschrieben.
Generell wird bei dem beschriebenen Verfahren eine prozessgesteuerte Impulskühlvorrichtung mittels der Werkzeugkühleinrichtung 6 und eine Vakuumabsaugung mittels der Vakuumpumpe 9 durchgeführt.
Das in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug besteht aus zwei Werkzeughälften 1, 2, wobei sich die eine der beiden Hälften relativ auf die andere zu bewegt. Die eine Werkzeughälfte 1 bildet hierbei die Kavität K. Weitere Werkzeugkomponenten sind der Vibrationsaktor 5, die Induktoren 4 mit dem zugehörigen Generator 8 zur Werkzeugerwärmung, die Werkzeugkühlung 6 und die zugehörige Pumpe 10, und die Extrudereinheit 7, die aus der Extruderschnecke 13 und der Zuführeinheit 12 besteht, sowie die Vakuumpumpe 9.
Im ersten Schritt wird ein vorkonfektioniertes Textil 3, das über eine Greifervorrichtung 17 (vgl. 4) positioniert wird, von diesem zur Vorwärmung unter einen Infrarotstrahler 23 (siehe 1 und 8) oder einen externen Induktor 4' (siehe 7) geführt. Dazu wird die schließseitige Werkzeughälfte entsprechend Pfeil a geöffnet. Unter dem Infrarotstrahler 23/externen Induktor 4' wird das Textil 3 bis kurz unter die Schmelztemperatur des enthaltenen thermoplastischen Polymers erwärmt. Bei dem im Textileinleger enthaltenen Thermoplasten kann es sich beispielsweise um Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA) oder Polyetheretherketon (PEEK) handeln, im Falle von PA kann der Textileinleger 200°C vorerwärmt werden. Das vorerwärmte Textil 3 wird nun von dem Greifer 17 in das Werkzeug eingelegt und dabei mit einem geringen Druck auf die angussseitige Werkzeughälfte 2 gedrückt. Hierdurch wird ein Vorformen des späteren Produkts erreicht. Das Halbzeug wird durch das Anpressen an die Werkzeughälfte 2 und zusätzlich durch Schieber 15 fixiert. Die (in 4 zu sehende) Verriegelung 18 des Spannrahmens 19 kann geöffnet und aus dem Werkzeug gefahren werden (siehe 2). Denkbar ist auch das Einlegen eines bereits konsolidierten (und im vorhergehenden Prozessschritt erhitzten) Halbzeugs, das ebenfalls durch den Greifer 17 vorgeformt wird und durch Schieber 15 und den Greifer 17 fixiert wird.
2 zeigt den vorgewärmten, in das Werkzeug eingelegten Textileinleger 3 bei noch offenem Werkzeug. 3 zeigt den Textileinleger 3 in dem geschlossenen Werkzeug.
Als nächster Prozessschritt schließt sich nun der Spritzgieß- bzw. Spritzprägeprozess an. Vor und während des Spritzgießens bzw. Spritzprägens wird der Textileinleger 3 variotherm induktiv auf Prozesstemperatur gebracht.
Die induktive variotherme Werkzeugtemperierung nutzt dabei den so genannten Skin Effekt. Hierbei wird während der Spritzgieß- bzw. Spritzprägephase das Werkzeug mittels der Induktoren 4 erhitzt und während der Auswurfphase durch die Impulskühlvorrichtung 6 gekühlt. Die Werkzeughälften 1, 2 werden dabei unter Ausnutzung des Skin-Effekts erhitzt. Der Effekt beruht darauf, dass ein von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossener Leiter nur noch einen Elektronenfluss (Stromdichte) an der Oberfläche („Skin”) des Leiters hat. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich um einen vom Strom durchflossenen Leiter ein Magnetfeld ausbildet, welches bei einem Wechselstrom Wirbelströme erzeugt, die den im inneren fließenden Erzeugerstrom entgegengerichtet ist. Die Folge ist, dass die Elektronen an die Außenseite des Leiters (erhöhte Stromdichte) gedrängt werden und sich der Wirkwiderstand des Leiters erhöht. Die Erhöhung des Leiterwiderstandes macht sich durch eine starke Erwärmung des Leiters bemerkbar. Dieser Effekt ist abhängig von der Frequenz mit der das magnetische Feld erzeugt wird. Die Erwärmung wird durch Konvektion an die Oberfläche der Werkzeughälften „transportiert”. Die Werkzeugoberfläche lässt sich somit in Sekunden erwärmen oder abkühlen.
Weiter dient ein hochfrequentes Wechselmagnetfeld zur Nanokompositerwärmung. Hierbei werden, wie in 5a, 5b, 6a, 6b skizziert, mittels eines hochfrequenten Wechselmagnetfeldes 20 einerseits die Werkzeughälften 1, 2 und andererseits gleichzeitig das thermoplastische Polymerkomposit 22, das nanoskalige paramagnetische Partikel 21 enthält, erwärmt. Die Induktoren 4 (vgl. bspw. 3) sind in dem Werkzeug so angeordnet, dass das erzeugte Magnetfeld sich in der entstehenden Kavität K des Werkzeugs ausbildet. Durch das Wechselmagnetfeld wird damit auch bedingt durch die sich paramagnetisch verhaltenden Nanopartikel 21 ein Magnetfeld in das Polymerkomposit 22 induziert. (6a, 6b) Hierbei tritt der so genannte Superparamagnetismus auf. Dieser Effekt bezeichnet das Verhalten von Nanopartikeln eines ferromagnetischen Materials, die auch sehr weit unterhalb der Curie-Temperatur (oberhalb dieser materialabhängigen Temperatur zeigen ferromagnetische Materialien nur noch paramagnetische Eigenschaften) keine magnetischen Eigenschaften erhalten, d. h. in diesen sehr feinen Teilchen ordnen sich die einzelnen atomaren magnetischen Momente parallel zueinander an, da dies für die Partikel meist schon bei Raumtemperatur energetisch gesehen günstiger ist.
Eine Ansammlung solcher Partikel 21 verhält sich makroskopisch gesehen paramagnetisch. Jedoch mit der Eigenschaft, dass die magnetischen Momente nicht einzeln sondern blockweise auftreten. Das in das Polymerkomposit induzierte Magnetfeld (ein Leiter, die ferromagnetischen Partikel, in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld) induziert in dem Leiter eine Spannung und einen Strom (Wirbelstrom). Der Wirbelstrom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, dieses ist der Ursache der Induktion entgegen gerichtet und versetzt die Partikel in Bewegung (Schwingung), was durch den endlichen Widerstand des Partikels zu einer Erwärmung (bedingt durch das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld) führt. Die im Matrixkomposit enthalten Partikel 21 werden, wie vorhergehend bezeichnet, durch das hochfrequente Wechselmagnetfeld 20 in Schwingung versetzt. Die erzeugten Schwingungen der Partikel 21 und die erzeugte Wärme werden an das Matrixmaterial bzw. das Polymerkomposit 22 übertragen, wodurch sich in Folge der Erwärmung dessen Fließfähigkeit erhöht. Durch die eingebrachten nanoskaligen Partikel 21 verbessern sich die mechanischen Eigenschaften des Komposits 22 und es können beispielsweise verbesserte Festigkeitswerte erzielt werden. Dieser Vorteil ermöglicht eine weitere Materialreduktion, die vorher in Form von Verrippung zur Verstärkung auf das Gewebe aufgebracht werden musste. Dies führt ferner zu einer Gewichtsreduktion des Bauteils.
Erfindungsgemäß wird in dem Werkzeug durch den integrierten Vibrationsaktor 5 ein Vibrationsauflockern des eingelegten thermoplastischen Hybridtextils 3 erzielt. Dabei werden Schwingungen erzeugt, die den Fließ- und Konsolidierungsprozess des eingelegten trockenen Hybridtextils 3 beschleunigen und verbessern. Generell besteht das Hybridtextil 3 aus mehreren Rovings die wiederum aus vielen einzelnen Filamenten bestehen. In den Rovings werden bzw. können mehrere unterschiedliche Filamentmaterialien wie z. B. Glasfaserfilamente, PA (PPA, PEEK)-Filamente, Textilfilamente oder auch Metalldrahtfilamente zusammengefasst werden. Diese Rovings werden zu der Textileinlage 3 mit einer Faserrichtung von beispielsweise 0°, 90° oder ±45° verwebt. Durch die mittels des Vibrationsaktors 5 erzeugten Schwingungen werden die Fasern aufgelockert, die bedingt durch den Fertigungsprozess sehr eng aneinander liegen, da beim Herstellen eines Rovings die Filamente gestreckt werden und hierdurch eine geradlinige Ausrichtung haben. Die aufgeschmolzene thermoplastische Matrix kann nun durch die Vibrationen das Gewebe 3 besser durchdringen und dies führt dann zur verbesserten Konsoldierung des Gewebes 3. Die vollständige Konsolidierung des Gewebes 3 verbessert die mechanischen Formteileigenschaften sowie die Oberflächengestalt des Form- oder Bauteils.
Während der gesamten Einspritzphase des Matrixpolymers wird durch den Vibrationsaktor 5, der etwa ein Piezoaktor 5 sein kann, das Werkzeug, im Besonderen der Werkzeugkavitätbereich, in Schwingung versetzt. Der Piezoaktor 5 funktioniert nach dem Piezoeffekt, der Verformung eines Piezokristall(stapels) bei Anlegen einer Spannung. Durch Anlegen einer niederfrequenten Wechselspannung an das Kristall, wird eine Schallwelle erzeugt. Diese wird durch die direkte Ankopplung an das Werkzeug in das Werkzeug als Schwingung appliziert. Die angeregte Schwingung, die eine optimale Konsolidierung der Fasern ermöglicht, ist im Bereich 5–30 Hz einzustellen. Diese wird in dem vorliegenden Werkzeug dazu genutzt, um eine auf den Spritzgieß-/Spritzprägeprozess und auf das zu fertigenden Bauteil (unter Berücksichtung des verwendeten Matrixpolymers und dessen Bestandteile, sowie das verwendete Textil 3, sei es ein Gewebe, Gelege oder Gestrick) abgestimmte Frequenz zu erzeugen. Die Schwingungen werden genutzt, um die Fasern des trockenen Textileinlegers 3 in dieser Prozessphase aufzulockern, respektive zu öffnen, und führen durch die dadurch erreichbare verbesserte Imprägnierung mit dem Matrixmaterial dazu, dass eine verbesserte Konsolidierung des Textileinlegers 3 bei gleichzeitig verringertem Porenanteil erreicht wird.
In Kombination mit der vorher beschriebenen durch das hochfrequente Wechselmagnetfeld erzeugten Nanokompositerwärmung wird das Eindringen der Matrixmaterialschmelze zwischen die einzelnen Filamente des Rovings im trockenen Gewebe 3 erheblich verbessert. Ferner sind für die Erzeugung der Schwingung auch mechanische, pneumatische oder elektrische oder hydraulische Schwingungserzeuger denkbar.
Die erzeugten Schwingungen sind erfindungsgemäß der Schwingung des einströmenden Matrixmaterials gleichgerichtet, aber phasenverschoben. Hierdurch wird erreicht, dass die einzelnen Filamente des Rovings sich relativ zueinander, bedingt durch die unterschiedlichen Filamentmaterialien (z. B. Glasfilament, PA-Filament) in einem Roving, bewegen. Die ins geschlossene Werkzeug eingetragene Schwingung ist von der sich einstellenden Amplitude auf die Bewegung des Schmelzestroms synchronisiert, d. h. die Bewegung der Schmelze ist auf die Bewegung des Werkzeugs und damit des Textils 3 abgestimmt. Es wird die Reibung die zwischen dem Filament und der Matrix, die während des Schmelzeflusses besteht, minimiert. Dazu ist eine genaue Abstimmung der Schmelzebewegung zur Werkzeugbewegung (im Millisekundenbereich) notwendig. Um eine Regelung in so engen Grenzen zu erreichen, werden zum Einspritzen des Matrixmaterials in die Kavität K im Werkzeug (10 bis 14) hydraulisch betätigte Nadelverschlußdüsen 26 eingesetzt. Die Nadelverschlußdüsen (26) gestatten es, den genauen Einströmzeitpunkt und -zeitraum, über den eingespritzt wird, zu steuern. Ferner wird über diese Düsen 26 eine Schwingung in das Matrixmaterial appliziert. Hierzu wird über einen hydraulischen Aktuator mit Wegsensoren 27 eine intermittierende Bewegung erzeugt. Über die Düsen 26 kann das geschmolzene Matrixmaterial in die entsprechende bzw. in die je nach verwendetem Polymer und Textil 3 benötigte Schwingung versetzt werden. Durch diese Stimulierung des Matrixmaterials ist es möglich, eine phasenverschobene simultane Bewegung zwischen Werkzeug und Schmelzestrom zu realisieren. In diesem Zustand ist die Faser des Textileinlegers 3 gelockert und ein erleichtertes Eindringen des Matrixmaterials wird ermöglicht. Zudem kann eine Porenreduktion durch die in Schwingung versetzte Matrix erreicht werden.
10 bis 14 beziehen sich auf das synchrone Spritzprägen mittels des erfindungsgemäßen Werkzeugs. Bei diesem Prozess schließt das Spritzprägewerkzeug (10) und der Einspritzvorgang des Matrixmaterials beginnt. Die unter hohem Druck einströmende Matrix dringt in den Textileinleger 3 ein und durchtränkt die Filamente (11). Unter Ausnutzung der Kontraktion der Filamente wird das Spritzprägewerkzeug nun erneut geöffnet (12), jedoch nur um einen geringen axialen Betrag (z. B. 1/10–3/10 mm) und verweilt in dieser Position für einen kurzen Moment beispielsweise 1 bis 5 s. Das durchtränkte Textil 3 kontrahiert und es wird in der sich jetzt anschließenden Phase überschüssig Matrixmaterial in das Werkzeug gespritzt (13) und somit eine Schmelzeüberfüllung im Werkzeug erreicht. In der nächsten Phase erfolgt der Prägeprozess (14). Das kurz zuvor unter hohem Druck eingespritzte Matrixmaterial wird nun weiter unter steigendem Druck in die Fasern des Textileinlegers 3 gedrängt. Die durch den Spritzprozess und durch die geringe Öffnungsphase eingebrachten Luftbläschen werden durch den hohen Druck und den Schmelzeüberschuss aufgrund einer verlängerten Prägephase abtransportiert. Der Schmelzeüberschuss wird während des Prägeprozesses in einer Nebenkavität 28 aufgefangen. Die überschüssige Menge wird druckgesteuert reguliert. Hierbei wird über ein Magnetventil 29 der Zugang zur Nebenkavität 28 freigegeben und das überschüssige Material kann entweichen. Bei Unterschreiten eines definierten Druckes, der über einen piezoelektrischen Drucksensor 30 gemessen wird, wird wiederum über das Magnetventil 29 der Zugang zur Nebenkavität 28 geschlossen. Der Schmelzeüberschuss wird über eine Abzugsvorrichtung 31 aus der Nebenkavität 28 abgeführt, zu Granulat zermahlen und recycled dem Prozess bzw. der Extrudereinheit 7 wieder zugeführt. Durch diesen Spritzprägeschritt ist es möglich den Porenanteil auf unter 1% zu reduzieren.
In das verwendete „trockene” Textil 3 oder Multifunktionstextil können elektrisch leitfähige Drähte, insbesondere metallische wie auch Kohlefaserdrähte, eingebracht werden. Diese bieten dann die Möglichkeit des Health-Monitoring mit dem man im „eingebauten” Zustand prüfen kann, ob ein Bauteil durch einen Crash beschädigt oder gar zerstört wurde.
Bei dieser Anwendung werden Drähte mit einem definierten Widerstand (z. B. Konstantan^®) und längenabhängiger Widerstandsänderung verwendet. Die verwendeten Leiter haben eine definierte Länge und einen definierten Querschnitt. Die Drähte werden je nach „Diagnosekonzept” unidirektional bzw. bidirektional in das Gewebe eingebracht. Die Diagnosekonzepte unterscheiden sich darin, dass entweder kontaktgebunden (z. B. unidirektional) oder berührungslos (z. B. bidirektional) die Bauteilcrashprüfung durchgeführt wird. Ist im Crashfall ein FVK-Bauteil deformiert worden oder gar zerstört, lässt sich dies durch das Diagnosesystem anhand der Widerstandsänderung (die durch die Streckung und der damit verbundenen Längenänderung des Leiters hervorgerufen wird) bzw. durch die Magnetfeldänderung bedingt durch die Vergrößerung der Leiterschleife diagnostizieren. Somit kann recht schnell und sicher festgestellt werden, ob ein FVK-Bauteil nach einem Crash oder ähnlicher Belastung zu ersetzen ist.
Die erfindungsgemäß in den Prozess integrierte Vakuumabsaugung dient der Absaugung der im Werkzeug befindlichen restlichen Luft. Dies dient zur Vorbeugung des sogenannten Dieseleffekts und einer ebenfalls verbesserten Durchdringung der Textilstruktur mit dem eingespritzten Kunststoff. Dazu wird mit der Vakuumpumpe 9, die als Drehschieber (Flügelzellen), Flüssigkeitsring oder z. B. als Wälzkolben ausgeführt sein kann, auf dem Fachmann bekannte Weise ein Unterdruck erzeugt.
Während dieser Absaugphase verhindert eine Membran 16, dass der flüssige Kunststoff in die Vakuumpumpe 9 gelangen kann. Erst bei Erreichen eines definierten Druckes, z. B. zwischen 0,5 und 0,9 bar, wird die Vakuumerzeugung abgeschaltet. Dann wird davon ausgegangen, dass das Gewebe 3 ausreichend imprägniert und konsolidiert und die ggf. angespritzten Flächen bzw. Matrix lufteinschlussfrei sind/ist.
Die erfindungsgemäße Werkzeugtemperierung unter Ausnutzung der Wärmeisolation basiert darauf, dass eine wärmeisolierende Schicht 24 in das Werkzeug eingebracht wird. Die Schicht 24 befindet sich auf der Oberfläche der auswerferseitigen Kavität; sie ist aus einem keramischen Material (z. B. Zirkonoxid) hergestellt, was verhindert, dass der Wärmeeintrag der angussseitigen Kavität über Konvektion in die auswerferseitige Kavität übertragen wird. Hierdurch wird die zu erwärmende Werkzeugmasse stark reduziert, was zur Folge hat, dass vorteilhaft eine geringe Energiemenge für die Werkzeugtemperierung erforderlich ist. Dies senkt die Prozesskosten für die Herstellung eines Halbzeuges bzw. Produktes. Es können kürzere Zykluszeiten realisiert werden und damit kann die Produktivität gesteigert werden. Ferner wird durch die keramische Schicht 24 ein Kontakt des Textileinlegers mit einer metallischen Werkzeugoberfläche vermieden.
Die angusseitige Kavität wird mittels eines flächigen internen Induktors 4 bis zur homogen Wärmeverteilung im Werkzeug beheizt, dies könnte bei einem Matrixwerkstoff wie Polyamid z. B. 220°C sein. Das Werkzeug wird hierbei auf eine Grundtemperatur mittels einer zusätzlichen variothermen Zweikreis-Temperiervorrichtung gebracht. Nur kurz vor und während des Spritzgießprozesses wird mittels des Induktors 4 die Temperatur an der Werkzeugoberfläche auf die Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Polymers gebracht. In der Spritzgießphase ist der zweite Kreis der Kühlung aktiv und heizt ebenfalls die angussseitige Werkzeughälfte 2 auf Schmelztemperatur mit. Durch die Induktionsheizung und die wärmeisolierte Auswerferseite sind sehr kurze Heizzyklen möglich. Die angusseitige Kavität wird nur mittels des ersten Kreises der Temperierung auf die Grundtemperierung gekühlt, um ein optimales Abformen zu ermöglichen.
Das in 9 gezeigte wärmeisolierte Werkzeug zeigt in der auswerferseitigen Kavität eine zusätzliche Kühlungsvorrichtung 6, die eine schnelle Abformung ermöglicht und eine annähernd konstante Temperatur dieser Werkzeughälfte sichert.
Eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs ist in 15 dargestellt und bezieht sich auf den Einsatz eines Spindelantriebs 5 als Vibrationsaktor 5, um während der gesamten Einspritzphase des Matrixpolymers den Werkzeugkavitätbereich beziehungsweise den darin befindlichen Textileinleger 3 in Schwingung zu versetzen. Dazu ist der Spindelantrieb 5, der hinter der auswerferseitigen Werkzeughälfte 1 positioniert ist über einen oder mehrere Stege 5'' durch die Auswerferplatte 35 hindurch mit einem Stahleinsatz 5' verbunden, der in dem Werkzeugkavitätbereich angeordnet ist. Dort kann zudem der Stahleinsatz 5' axial in Richtung der Einspritzvorrichtung 7'' bewegt werden, um einen Prägeprozess zu realisieren. Durch die geringe rotatorische Trägheit bietet der Spindelantrieb eine große Dynamik, die er auf das träge Spritzgießwerkzeug übertragen kann. Der entstehende Push-Pull-Effekt erzeugt Schwingungen im Bereich 3–20 Hz. Ein Prägehub kann mit 1–2 mm Weg beaufschlagt werden.
Der hinter das Werkzeug geschaltete Spindelantrieb 5 ermöglicht zum einen, dass durch die minimalen Vibrationen, die der Spindelantrieb 5 in den Stahleinsatz 5' einleitet, die Fasern des Textileinlegers 3 gelockert und in Schwingung versetzt werden. Der dabei entstehende Freiraum wird zum Imprägnieren genutzt, wobei die Reibungskräfte zwischen Faser und Matrixkunststoffschmelze um zwei Drittel oder noch mehr gemindert werden, so dass der Imprägnierprozess verbessert und geschlossene Hohlräume zwischen den Fasern besser durchdrungen werden.
Der mithilfe des Spindelantriebs 5 ausgeführte Spritzprägeschritt umfasst nach vollendeter Imprägnierung das Bilden des Prägespalts P mithilfe des an den Spindelantrieb 5 gekoppelten Stahleinsatzes 5' in der Kavität, das Einspritzen des zusätzlichen Matrixmaterials in die Kavität und das Verfahren des Stahleinsatzes 5' in Richtung der Einspritzvorrichtung, wodurch das Material geprägt wird. Hier kann auf das Öffnen des Werkzeugs zur Schaffung des Prägespalts nach dem Imprägnieren des Textileinlegers verzichtet werden.
So ermöglicht der Spindelantrieb durch das nach dem Imprägnieren folgende Prägen während des Erstarrungsvorgangs der Schmelze auch die Ausformung spannungsarmer Formteile mit guter Oberflächengüte.
Bezugszeichenliste

1: Schließseitige Werkzeughälfte
2: Angussseitige Werkzeughälfte
3: Textil/Einleger/trockenes Gewebe/Hybridgewebe
4, 4': Induktoren, externer Induktor
5, 5', 5'': Vibrationseinheit, Spindelantrieb, Steg, Stahleinsatz
6: Impulskühlvorrichtung
7, 7', 7'': Extrudereinheit, Einspritzkanal, Einspritzvorrichtung
8: Generator
9, 9': Vakuumpumpe, Entlüftungsleitung
10: Pumpe für Impulskühlvorrichtung
11: Dichtung
12: Zuführung
13: Extruderschnecke
14: Extruderheizung
15: Schieber
16: Membran
17: Greifer (Roboter)
18: Ver-/Entriegelungseinheit Spannrahmen
19: Spannrahmen
20: Magnetfeldlinie
21: paramagnetischer Nanopartikel
22, 22': Polymerkomposit mit Nanopartikeln
23: Infrarotstrahler
24: Wärmeisolierschicht
25: Verrippung
26: Nadelverschlußdüse
27: hydraulischer Aktuator mit Wegsensor
28: Nebenkavität
29, 29': Magnetventil, Betätigungsleitung
30, 30': Drucksensor, Messleitung
31: Abzugsvorrichtung
32, 32': Pumpe für Abzugsvorrichtung, Abzugsleitung
33, 33': Pumpe für Nadelverschlußdüsenbetätigung, Fluidleitung
35: Auswerferplatte
a, b, c: Bewegung schließseitige Werkzeughälfte
K, P, W: Kavität, Prägespalt, Wärme

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 102006040748 A1 [0004]
DE 102006039780 A1 [0005]

Claims

Spritzgusswerkzeug zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern (3) und einem thermoplastischen Matrixmaterial, wobei das Spritzgusswerkzeug eine erste Werkzeughälfte (1) und eine zweite Werkzeughälfte (2) aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind und Formbereiche aufweisen, die eine Kavität (K) begrenzen, wobei das Spritzgusswerkzeug – einen Vibrationsaktor (5), der einer der Werkzeughälften (1, 2) zugeordnet ist, – nahe den Formbereichen an zumindest einer der ersten und der zweiten Werkzeughälfte (1, 2) angeordnete Induktoren (4), – eine nahe den Formbereichen an zumindest einer der ersten und der zweiten Werkzeughälften (1, 2) angeordnete Werkzeugkühleinrichtung (6), die von einer Fördervorrichtung (10) mit einem Kühlmedium versorgt wird, – eine an der ersten oder der zweiten Werkzeughälfte (1, 2) angeordnete Extrudereinheit (7), von der sich ein Injektionskanal (7') zu wenigstens einer Einspritzvorrichtung (7''), die zum Einspritzen an der Kavität (K) angeordnet ist, erstreckt, – eine Vakuumpumpe (9), die über eine Entlüftungsleitung (9') mit der Kavität (K) verbunden ist, aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (7'') eine regelbare Nadelverschlussdüse (26) umfasst, die von einem Aktuator (27) betätigbar ist, der zumindest einen Wegsensor umfasst, wobei der Aktuator (27) insbesondere ein hydraulischer Aktuator (27) ist, der über eine Fluidleitung (33') mit einer Pumpvorrichtung (33) verbunden ist.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkzeughälfte (1) eine schließseitige Werkzeughälfte (1) und die zweite Werkzeughälfte (2) eine angussseitige Werkzeughälfte (2) ist, wobei die Extrudereinheit (7) der angussseitigen Werkzeughälfte (2) zugeordnet ist; und wobei das Werkzeug eine Nebenkavität (28) zum Auffangen eines Schmelzeüberschusses aufweist, die über ein druckgesteuertes Ventil (29) mit der Kavität (K) verbunden ist, das mit einem Drucksensor (30) gekoppelt ist, der an der Kavität (K) angeordnet ist, wobei die Nebenkavität (28) eine Abzugsvorrichtung (31) umfasst, die über eine Abzugsleitung (32') mit einer Fördervorrichtung (32) verbunden ist.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mit zumindest einer steuerbaren Greifervorrichtung (17) und einer Vorwärmvorrichtung (4', 23) gekoppelt ist, wobei die zumindest eine Greifervorrichtung (17) ausgebildet ist, – den Textileinleger (3) unter der Vorwärmvorrichtung (4, 23) zu platzieren und während einer Öffnungsphase des Werkzeugs in das Werkzeug einzulegen, oder – den Textileinleger (3) während einer Öffnungsphase des Werkzeugs in das Werkzeug einzulegen und die Vorwärmvorrichtung (4', 23), insbesondere eine externe Induktoreneinrichtung (4') oder eine Infrarotstrahlungsvorrichtung (23), an dem in das Werkzeug eingelegten Textileinleger (3) anzuordnen.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formbereich zumindest einer der Werkzeughälften (1, 2), vorzugsweise der schließseitigen Werkzeughälfte (1), mit einer wärmeisolierenden Schicht (24), insbesondere aus einem keramischen Material, ausgekleidet ist.
Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern (3) und einem thermoplastischen Matrixmaterial unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: – Vorwärmen des Textileinlegers (3) auf eine Temperatur unterhalb einer Schmelztemperatur des Matrixmaterials, – Einlegen des Textileinlegers (3) in das Werkzeug, – Vorformen des vorgewärmten Textileinlegers (3) durch Andrücken an einen die Kavität begrenzenden Formbereich einer der Werkzeughälften (1, 2), – Schließen des Werkzeugs und Temperieren des Textileinlegers (3) auf eine Prozesstemperatur durch die Induktoren (4), – Einspritzen des thermoplastischen Matrixmaterials in die Kavität des Werkzeugs durch die Extrudereinheit (7), dabei Halten der Prozesstemperatur, und Imprägnieren des Textileinlegers (3) mit dem Matrixmaterial, dabei – Entlüften der Kavität mittels der Vakuumpumpe (9), – Erzeugen von Schwingungen des im Werkzeug eingelegten Textileinlegers (3) durch den Vibrationsaktor (5), – Konsolidieren des Faserverbund-Kunststoffbauteils durch Ausführen einer Impulskühlvorrichtung mittels der Werkzeugkühleinrichtung (6).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Matrixmaterial nanoskalige Partikel (21) aus einem ferromagnetischen Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, umfassend den Schritt: beim Einspritzen des thermoplastischen Matrixmaterials – Abstimmen einer Bewegung eines Schmelzestroms des Matrixmaterials mit der durch den Vibrationsaktor (5) erzeugten Schwingung, wobei die Matrixmaterialschmelze intermittierend oder pulsierend durch die Nadelverschlussdüsen (26) geregelt in die Kavität (K) eingespritzt wird, und wobei die erzeugte Bewegung des Schmelzestroms phasenverschoben, aber gleichgerichtet oder simultan zu der Werkzeugbewegung ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend die Schritte: nach dem Imprägnieren des Textileinlegers (3) mit dem thermoplastischen Matrixmaterial – Öffnen des Werkzeugs und Beabstanden der Werkzeughälften (1, 2) um einen Prägespalt (P), der in einem Bereich von 1/10 bis 3/10 mm liegt, – geöffnet Halten des Werkzeugs für eine Zeitdauer in einem Bereich von 5 bis 10 Sekunden, dabei kontrahieren Lassen des zu imprägnierenden und zu konsolidierenden Textileinlegers (3), – Einspritzen von zusätzlichem Matrixmaterial in die Kavität (K), – erneut Schließen des Werkzeugs und Erhöhen des Drucks auf das zusätzliche Matrixmaterial, – druckgesteuert Öffnen des Ventils (29) und Auffangen einer Überschussmenge des Matrixmaterials in der Nebenkavität (28), und Rückführen des überschüssigen Matrixmaterials in die Extrudereinheit (7).
Geformtes Faserverbund-Kunststoffbauteil, umfassend zumindest einen mit einem thermoplastischen Matrixmaterial umspritzten Textileinleger (3), dadurch gekennzeichnet, dass – das thermoplastische Matrixmaterial nanoskalige Partikel (21) eines ferromagnetischen Materials umfasst, und/oder – der Textileinleger (3) elektrisch leitfähige Drähte, insbesondere metallische oder Kohlefaserdrähte aufweist, die eine definierte Länge und einen definierten Querschnitt aufweisen und unidirektional oder bidirektional in den Textileinleger (3) integriert sind.