DE102010052180A1 - Injection molding tool used in manufacture of composite plastic components for motor vehicle, has tool cooling device that is arranged on mold sections and is supplied with cooling medium through conveying device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Kunststoffbauteilen aus Textileinlegern sowie das Faserverbund-Kunststoffbauteil selbst.The invention relates to an injection molding tool and a method for producing fiber composite plastic components from textile inserts as well as the fiber composite plastic component itself.
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.Fully consolidated thermoplastic prepregs (organic sheets) are known from the prior art as planar semi-finished products. Organo sheets are understood to mean semi-finished fiber composites in the form of fiber-reinforced thermoplastic sheets. Such fiber composite component inserts (FVK depositors) are currently heated for the production of fiber composite plastic components outside the tool and preformed spatially separated. The production of such fiber composite plastic components from such fiber-reinforced thermoplastic sheets to date requires several individual processes in which the various process steps are performed.
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.In existing injection molding, the cavity enclosed between two tool halves of an injection molding tool or the mold regions delimiting the cavity is generally heated during the injection molding process, but partially also before the injection molding process or after completion of the injection process, in order to prevent premature solidification of an injected plastic ,
Durch die
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.On the basis of this prior art, it is desirable to provide an improved injection molding machine or an improved tool for producing a fiber composite plastic component from a "dry" textile inserter which is not or not completely impregnated or consolidated. The tool is intended to allow a combination of the various required process steps of fiber impregnation and consolidation in order to improve the quality of the finished fiber composite plastic component.
Diese Aufgabe wird durch ein Spritzgusswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an injection molding tool with the features of
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.Another object is to provide a method of manufacturing a fiber composite plastic component from a "dry" textile inlay with respect to cycle times and process costs.
Ein Verfahren, das diese Aufgabe löst, wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 beschrieben.A method which achieves this object is described by the features of
Weiterbildungen des Werkzeugs und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the tool and the method are carried out in the respective subclaims.
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.Furthermore, a fiber composite plastic component of a textile insert, which is improved in terms of mechanical properties, the surface finish and the component weight, with the features of
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.A first embodiment of the invention relates to an injection molding tool or an injection molding machine for the production of fiber composite plastic components from textile inserts and a thermoplastic matrix material. The injection molding tool usually has two mold halves, which can be moved relative to each other and have mold areas that define a cavity into which the textile insert is inserted and the plastic melt is injected. Thus, the fiber impregnation and consolidation of the textile insert can be made possible. The injection molding tool has a vibration actuator in one of the tool halves, with which the tool or the textile inlaid in the cavity is set in vibration. One or both mold halves have internal inductors located near the mold areas and suitable for generating a high frequency alternating magnetic field. A tool cooling device, which is supplied with a cooling medium by a conveying device, is likewise arranged near the molding regions on at least one of the tool halves. In addition, the injection molding tool is equipped with an extruder unit which is arranged on one of the tool halves and from which an injection channel extends to one or more injection devices, which are arranged for injecting the plastic melt on the cavity. A vacuum pump is connected to the cavity via a vent line.
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.Unlike in the prior art, all the necessary processes for producing such a fiber composite plastic component combined are advantageously carried out in a single tool according to the invention. In this case, the tool surface or the textile insert contact surface is not only inductively heated, but it can also be carried out together with the tool cooling device a variothermic inductive temperature control. Due to the variothermic temperature control, the flowability of the thermoplastic is very high and thus increases the processing time. The injection molding tool according to the invention assists in the injection molding of a fiber composite plastic component, the improved impregnation and the optimal consolidation of the textile insert with a thermoplastic matrix plastic by the variotherm inductive temperature control and occurring in consequence of the vibrations occurring fiber loosening in the textile feeder and thereby enables quality improvement at reduced costs. The surface structure of the organic sheets can be maintained or even improved by the targeted heating of the tool. By combining several individual steps, the heat balance for the production of the injection-molded FRP component can be improved and thus energy and the associated costs can be saved.
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.Another embodiment of the injection molding tool relates to the injection device, which may further comprise a controllable needle valve nozzle. The regulation of the injection takes place by means of one or more displacement sensors for detecting the vibration performed by the tool, wherein the one or more displacement sensors and the part of an actuator is / are that actuates the needle valve nozzle. This allows injection of the melt of the thermoplastic resin matrix material coordinated with the tool / textile inler vibration. The actuator may be a hydraulic actuator which is connected via a fluid line with a pumping device.
Üblicher Weise wird eine Werkzeughälfte eine schließseitige Werkzeughälfte sein und die zweite Werkzeughälfte eine angussseitige, wobei die Extrudereinheit der angussseitigen Werkzeughälfte zugeordnet ist.Usually, a tool half will be a closing-side mold half and the second mold half will be a mold-side, the extruder unit being associated with the mold-side mold half.
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.The injection molding tool according to the present invention may further include a secondary cavity which serves to catch a melt surplus. The Nebenkavität is connected via a pressure-controlled valve with the cavity. The valve is coupled to a pressure sensor located on the cavity. In addition, the secondary cavity for drawing off the excess melt comprises a draw-off device which is connected via a withdrawal line to a delivery device.
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.Furthermore, it is conceivable that the tool is coupled with one or more controllable gripper devices as well as with a preheating device. The gripper device (s) is / are designed for handling the textile inserter and / or the preheating device such that they place the textile insert under the preheating device and insert it into the tool during an opening phase of the tool, or during an opening phase of the tool insert into the tool and the preheating, which may be in particular an external Induktoreneinrichtung or an infrared radiation device, arrange at the inserted into the tool textile insert.
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.The molding area of at least one of the mold halves, in particular of the closing side mold half, can be lined with a heat-insulating layer, in particular of a ceramic material. Thus, the entire (closing) mold half is not tempered and energy and cycle time can be saved.
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.The inventive method for producing fiber composite plastic components from textile inserts and a thermoplastic matrix material, which also uses an injection molding tool according to the invention, comprises the following steps: First, the textile insert is preheated to a temperature below a melting temperature of the matrix material after or before it is inserted into the tool becomes. The preheated textile inlay is preformed by pressing against a cavity defining heated mold area of one of the tool halves, whereupon the tool is closed and the textile inlaid by the inducers directly or indirectly over the heated tooling surface Temperature of the process is tempered. This is followed by injecting the thermoplastic matrix material into the cavity of the tool through the extruder unit, maintaining the process temperature above the melt temperature of the thermoplastic matrix material so that the textile inlay is impregnated with the matrix material. At the same time the cavity is vented by means of the vacuum pump and the inserted textile insert is vibrated by the vibration actuator which generates vibrations in order to achieve better penetration of the textile inserter with the matrix material and to minimize the proportion of trapped air bubbles. The consolidation of the fiber composite plastic component takes place by carrying out a pulse cooling device by means of the tool cooling device. The cycle time for impregnation and consolidation of a semi-finished product can thereby be significantly reduced. Also, the process costs can be reduced by the process-controlled temperature.
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.The thermoplastic matrix material may contain nanoscale particles of a ferromagnetic material, so that the high-frequency alternating magnetic field generated by the inductors not only causes the indirect heating of the halves of the tool, but also directly to a heating of the nanocomposite by the nanoscale particles excited to vibrate leads. The combination of nanoscale ferromagnetic particles, deaeration and compaction by means of the generated vibrations leads to a significantly improved consolidation of the dry textile.
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.According to an embodiment of the method according to the invention, it can further be provided that during the injection of the thermoplastic matrix material, a movement of the melt stream of the matrix material is tuned with the vibration generated by the vibration actuator, so that the matrix material melt is injected into the cavity intermittently or in a pulsating manner by the needle valve nozzles. The thus generated movement of the melt stream is then out of phase but rectified or simultaneous to the tool movement. Thus, the friction between the filaments of the textile inlay and the matrix melt can be minimized and the penetration of matrix material into the loosened fibers of the textile inlay can be facilitated. The synchronized movement can also reduce the porosity and reduce costs since less energy is needed to make the part.
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.A further embodiment of the method according to the invention relates to the implementation of a spray-molding step in the tool according to the invention. In this case, after the impregnation of the textile insert with the thermoplastic matrix material, the tool is opened and the tool halves are spaced around an embossing gap, which is advantageously in a range of 1/10 to 3/10 mm. The tool is thus kept open for a period of time in a range of a few seconds, for example 1 to 10 seconds, with contraction of the impregnated textile insert just taking place. In the next step, additional matrix material is injected into the cavity, the mold closed again, and the pressure on the additional matrix material increased to penetrate the impregnated fabric insert. The valve for Nebenkavität is opened under pressure control, there to catch an excess amount of the matrix material, which can then advantageously be recycled after appropriate treatment in the extruder unit.
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.Finally, the invention relates to a molded fiber composite plastic component which comprises at least one textile insert encased with a thermoplastic matrix material, wherein the thermoplastic matrix material comprises nanoscale particles of a ferromagnetic material. Such a nanocomposite advantageously allows the inductive heating of the matrix material in the alternating magnetic field. Alternatively or additionally, the textile insert may comprise electrically conductive wires, in particular metallic or carbon fiber wires, which have a defined length and a defined cross section and are integrated unidirectionally or bidirectionally into the textile insert.
Ein solches Gewebe ermöglicht ein „Health-Monitoring” nach einem „Unfall” über eine Widerstandsmessung am daraus hergestellten Bauteil, auch im verbauten Zustand.Such a tissue allows "health monitoring" after an "accident" via a resistance measurement on the component produced therefrom, even in the installed state.
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.Improved consolidation and the incorporation of nanoparticles into the product or semi-finished product result in better mechanical properties and improved crash integrity.
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.Due to the variothermal tempering, surfaces of high quality can be imaged, even the formation of very fine or even filigree surface properties can be realized. The image of weld lines is avoided.
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.Furthermore, due to a reinforcing effect by the nanocomposite used, a weight reduction can advantageously be achieved. By saving on material, on the one hand, and on the other hand, fuel costs for operating a vehicle made with lighter materials can be reduced.
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.These and other advantages will become apparent from the following description with reference to FIGS accompanying figures set forth. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. Articles or parts of objects which are substantially the same or similar may be given the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Dabei zeigen:Showing:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Spritzgusswerkzeug wie es etwa in
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.The term "textile inlay" is understood here to mean a blank of a non-consolidated, a partially consolidated or a consolidated fiber composite semifinished product, which is in particular a fiber-reinforced thermoplastic. This comprises at least one thermoplastic and an organic and / or inorganic reinforcing fiber portion, and may be, for example, a hybrid textile of reinforcing fibers and thermoplastic fibers or a textile of a homogeneous very finely divided hybrid roving or a hybrid yarn.
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.The thermoplastic matrix material may be a thermoplastic other than the thermoplastic portion of the textile insert; alternatively, the same thermoplastic material may be used.
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.In the present specification, a fiber composite plastic component is mentioned as overmolded textile product. This may in particular be a component for a motor vehicle, such as a front end support, a Z-strut, a rear wall, a pedal bearing block, a tailgate, a door base module, a door, an end wall, a multi-function tray, etc. It is also conceivable, the plastic fiber composite product produced according to the method according to the invention in the injection molding tool according to the invention constitutes a type of semi-finished product which is subsequently subjected to further processing steps.
Im Folgenden wird das Spritzgusswerkzeug beziehungsweise die Anlage und die darin kombiniert durchgeführten Prozesse beschrieben.In the following, the injection molding tool or the plant and the processes performed in combination will be described.
Das Spritzgießen thermoplastischer Formteile an sich ist bekannt. Ein Kunststoffgranulat wird dabei über eine Zuführeinrichtung
Der nun verflüssigte Kunststoff wird in die Kavität K zwischen den Werkzeughälften
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.The inductive heating of the tool serves to increase the flowability of the thermoplastic to be processed. As a result, Bindenahtkerben be avoided, also are hardly achieved until no sink marks. The shear of the plastic melt as it flows through the cavity is minimized. Residual stress and shrinkage are also minimized, premature solidification of the melt is prevented, an improved microstructure is achieved and an improved molding surface is achieved and a reduction of the cycle times is made possible.
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.The process-controlled pulse cooling device makes rapid molding possible and the cycle time is further reduced. The impulse cooling device has the task during the heating process to take over the cooling (protection against overheating, control of the process temperature) of the tool or the cavity K. Upon completion of the injection molding process, the controlled pulse cooling device provides for rapid molding of the structural member by rapid cooling of the cavity.
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
In
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.By preheating in the tool, the surface, the structure and the structure of the textile insert are not damaged by too high and possibly unnecessary (an excessive temperature is often used because the organo sheet cools down quickly) heat input.
So wird der Textileinleger
Der Thermoplastanteil des Einlegers
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.The inductive variothermic mold temperature control, the application of a high frequency alternating magnetic field for nanocomposite heating, the vibration opening of the textile inlay fibers, a synchronous injection embossing (overmolding by melt flow control) and a mold temperature control using thermal insulation are mentioned and described below.
Generell wird bei dem beschriebenen Verfahren eine prozessgesteuerte Impulskühlvorrichtung mittels der Werkzeugkühleinrichtung
Das in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug besteht aus zwei Werkzeughälften
Im ersten Schritt wird ein vorkonfektioniertes Textil
Als nächster Prozessschritt schließt sich nun der Spritzgieß- bzw. Spritzprägeprozess an. Vor und während des Spritzgießens bzw. Spritzprägens wird der Textileinleger
Die induktive variotherme Werkzeugtemperierung nutzt dabei den so genannten Skin Effekt. Hierbei wird während der Spritzgieß- bzw. Spritzprägephase das Werkzeug mittels der Induktoren
Weiter dient ein hochfrequentes Wechselmagnetfeld zur Nanokompositerwärmung. Hierbei werden, wie in
Eine Ansammlung solcher Partikel
Erfindungsgemäß wird in dem Werkzeug durch den integrierten Vibrationsaktor
Während der gesamten Einspritzphase des Matrixpolymers wird durch den Vibrationsaktor
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
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
In das verwendete „trockene” Textil
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.In this application, wires with a defined resistance (eg Konstantan ® ) and length-dependent resistance change are used. The conductors used have a defined length and a defined cross section. Depending on the "diagnostic concept", the wires are inserted unidirectionally or bidirectionally into the tissue. The diagnostic concepts differ in that either component-based (eg unidirectional) or non-contact (eg bidirectional) the component crash test is performed. If an FRP component has been deformed or even destroyed in the event of a crash, this can be diagnosed by the diagnostic system based on the resistance change (which is caused by the extension and the associated change in length of the conductor) or by the magnetic field change caused by the enlargement of the conductor loop. Thus, it can be determined quite quickly and reliably whether a FRP component is to be replaced after a crash or similar load.
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
Während dieser Absaugphase verhindert eine Membran
Die erfindungsgemäße Werkzeugtemperierung unter Ausnutzung der Wärmeisolation basiert darauf, dass eine wärmeisolierende Schicht
Die angusseitige Kavität wird mittels eines flächigen internen Induktors
Das in
Eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs ist in
Der hinter das Werkzeug geschaltete Spindelantrieb
Der mithilfe des Spindelantriebs
So ermöglicht der Spindelantrieb durch das nach dem Imprägnieren folgende Prägen während des Erstarrungsvorgangs der Schmelze auch die Ausformung spannungsarmer Formteile mit guter Oberflächengüte.Thus, the spindle drive also allows the formation of stress-free molded parts with good surface quality by the embossing following embossing during the solidification process of the melt.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schließseitige WerkzeughälfteClosing tool half
- 22
- Angussseitige WerkzeughälfteGutter-side mold half
- 33
- Textil/Einleger/trockenes Gewebe/HybridgewebeTextile / Insert / Dry Fabric / Hygienic Fabric
- 4, 4'4, 4 '
- Induktoren, externer InduktorInductors, external inductor
- 5, 5', 5''5, 5 ', 5' '
- Vibrationseinheit, Spindelantrieb, Steg, StahleinsatzVibrating unit, spindle drive, bar, steel insert
- 66
- ImpulskühlvorrichtungPulse cooler
- 7, 7', 7''7, 7 ', 7' '
- Extrudereinheit, Einspritzkanal, EinspritzvorrichtungExtruder unit, injection channel, injection device
- 88th
- Generatorgenerator
- 9, 9'9, 9 '
- Vakuumpumpe, EntlüftungsleitungVacuum pump, vent line
- 1010
- Pumpe für ImpulskühlvorrichtungPump for pulse cooling device
- 1111
- Dichtungpoetry
- 1212
- Zuführungfeed
- 1313
- Extruderschneckeextruder screw
- 1414
- Extruderheizungextruder heating
- 1515
- Schieberpusher
- 1616
- Membranmembrane
- 1717
- Greifer (Roboter)Gripper (robot)
- 1818
- Ver-/Entriegelungseinheit SpannrahmenLocking / unlocking unit clamping frame
- 1919
- Spannrahmententer
- 2020
- Magnetfeldliniemagnetic field line
- 2121
- paramagnetischer Nanopartikelparamagnetic nanoparticles
- 22, 22'22, 22 '
- Polymerkomposit mit NanopartikelnPolymer composite with nanoparticles
- 2323
- Infrarotstrahlerinfrared Heaters
- 2424
- Wärmeisolierschichtthermal insulating layer
- 2525
- Verrippungribbing
- 2626
- Nadelverschlußdüseneedle valve nozzle
- 2727
- hydraulischer Aktuator mit Wegsensorhydraulic actuator with displacement sensor
- 2828
- Nebenkavitätsecondary cavity
- 29, 29'29, 29 '
- Magnetventil, BetätigungsleitungSolenoid valve, actuation cable
- 30, 30'30, 30 '
- Drucksensor, MessleitungPressure sensor, measuring line
- 3131
- Abzugsvorrichtungoff device
- 32, 32'32, 32 '
- Pumpe für Abzugsvorrichtung, AbzugsleitungPump for extraction device, drain line
- 33, 33'33, 33 '
- Pumpe für Nadelverschlußdüsenbetätigung, FluidleitungNeedle valve nozzle pump, fluid line
- 3535
- Auswerferplatteejector
- a, b, ca, b, c
- Bewegung schließseitige WerkzeughälfteMovement closing tool half
- K, P, WK, P, W
- Kavität, Prägespalt, WärmeCavity, embossing gap, heat
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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