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

The injection molding tool has cavity that is defined with two mold sections which are moved relative to each other. The inductor (4) and vibration actuator (5) are provided in one of the mold sections. The tool cooling device (6) is arranged on the mold sections and is supplied with cooling medium through conveying device (10). An injection channel in an extruder unit (7), is extended to the injector to inject melted plastic material at the cavity. A vacuum pump (9) is connected with the cavity through vent line. An independent claim is included for method for manufacture of composite plastic component.

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 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.By the DE 10 2006 040 748 A1 is an injection molding process for fiber-reinforced motor vehicle parts known, with which fiber-reinforced exterior or interior parts of motor vehicles of complex geometries or alternately reinforced and unreinforced areas can be produced easily and inexpensively. For this purpose, an unconsolidated textile or structural insert made of hybrid yarn is prepared, which is then preheated at least in the edge zone to a temperature close to the melting point of the thermoplastic fibers before or during introduction into an injection mold. There, the textile insert is overmolded with a thermoplastic at a temperature above the melting temperature of the thermoplastic fibers, which are melted at least in the edge zone of the textile insert. This is followed by cooling and removal of the finished component.

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. DE 10 2006 039 780 A1 relates to a method and a tool for temperature control in the injection molding of molded parts by inductively heated mold areas of a cavity of an injection mold. This is to improve the molding surface quality and reduce cycle times. The method is that before filling the cavities of an injection mold by a change in position of the movable mold halves inductors that are integrated in the mold halves or alternatively external inductors are arranged in front of opposite cavity halves, so that geometrically limited areas of the walls of the cavities on both sides directed directly inductively heated. After complete heating of the cavities, the return of the tool halves takes place in their original position, so that an injection molding step can follow.

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 claim 1.

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 claim 6.

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 claim 10 is disclosed.

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:

1 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs, mit Greifereinrichtung und Infrarotstrahler, 1 1 is a side sectional view of an injection molding tool according to the invention, with gripper device and infrared radiator,

2 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs mit Textileinleger bei noch offenem Werkzeug, 2 a side sectional view of an injection molding tool according to the invention with textile insert with the tool still open,

3 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs mit Textileinleger bei geschlossenem Werkzeug, 3 a side sectional view of an injection molding tool according to the invention with textile insert with closed tool,

4 eine Draufsicht auf den Textileinleger mit Greifereinrichtung, 4 a top view of the textile inserter with gripper device,

5a, 5b, 6a, 6b schematische Darstellungen der Erwärmung und Ausrichtung der nanoskaligen Teilchen im Textileinleger mittels Wechselmagnetfeld 5a . 5b . 6a . 6b schematic representations of the heating and alignment of the nanoscale particles in the textile insert by means of alternating magnetic field

7 eine perspektivische Ansicht eines externen Induktors beim Einführen in das geöffnete Werkzeug, 7 a perspective view of an external inductor when inserted into the opened tool,

8 eine perspektivische Ansicht eines externen Induktors beim Einführen in das geöffnete Werkzeug, mit Greifvorrichtung, 8th a perspective view of an external inductor when inserted into the open tool, with gripping device,

9 eine Seitenschnittansicht des Textileinlegers im geschlossenen Werkzeug bei Temperierung durch die Induktoren, die in der angussseitigen Werkzeughälfte angeordnet sind, 9 a side sectional view of the textile insert in the closed mold when tempered by the inductors, which are arranged in the casting-side mold half,

10, 11, 12, 13, 14 Seitenschnittansichten des erfindungsgemäßen Werkzeugs, 10 . 11 . 12 . 13 . 14 Side sectional views of the tool according to the invention,

15 Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Werkzeugs, bei dem ein Spindelantrieb als Vibrationsaktor eingesetzt wird. 15 Side sectional view of another tool according to the invention, in which a spindle drive is used as a vibration actuator.

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.The device according to the invention relates to an injection molding tool such as in 1 is shown. With the injection molding tool fiber composite plastic components from a textile insert 3 and a thermoplastic matrix material, wherein the injection molding tool is a closing-side mold half 1 and a casting-side tool half 2 which are movable relative to each other and have mold areas which bound the cavity K.

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 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.The injection molding of thermoplastic moldings per se is known. A plastic granulate is via a feeder 12 an extruder screw 13 fed. The in the extruder 7 located screw conveyor 13 compacts the granules, whereby it heats up strongly (usually up to the melting temperature of the respective plastic). Depending on the selected plastic, additional heating / cooling for the extruder may be necessary 7 required to reach or maintain the melting temperature. For this purpose, the extruder device 7 a corresponding heater 14 on. The screw conveyor 13 is here axially movable, whereby an injection of the molten viscous plastic mass (which now before the extruder screw 13 located) via the injection channel 7 ' by means of the injector 7 '' is possible. The axial movability is 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. The now liquefied plastic is in the cavity K between the mold halves 1 . 2 introduced, the textile insert 3 penetrated and the final shape to be manufactured for the component is formed due to the injection pressure and the injection volume. The tool halves 1 . 2 become inductive by means of inductors 4 heated so that the molding process does not begin too early and the injected plastic material remains as fluid as possible. The injection process is followed by a cooling process by means of the pulse cooling device 6 to achieve a fast impression. By an ejector, the finished molded part can be ejected and the process is completed.

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 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.According to the method according to the invention, the processes for the impregnation / consolidation of the FRP textiles are combined by injection molding. The "dry" textile (eg preconsolidated hybrid roving) or the "dry" inlay 3 are preheated to the required forming temperature for all subsequent steps. This is in 1 such as 7 to 9 shown, wherein the preheating of the textile insert 3 outside of and / or takes place in the tool.

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.In 1 and 8th is by a gripper device 17 an infrared radiator 23 introduced into the open tool, where the already inserted textile insert 3 preheated by the infrared radiation IR. In 9 a thermally insulated tempering of the textile insert takes place 3 in the closed mold through the inductors 4 that are in the casting-side tool half 2 are arranged while the molding area of the closing side mold half 1 with a heat insulating layer 24 is lined. 7 shows the preheating of the textile insert 3 by means of an external inductor 4 ' , which is also introduced by a gripper device, not shown in the open tool. In some circumstances, the textile insert 3 also only in the forming area, so only locally and partially heated. Finally, it is also conceivable that the preheating by the present in the tool inductors 4 he follows.

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 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.This is how the textile inlay becomes 3 heated or held to the ideal temperature for cohesive connection. This may possibly only in the contact zone or contact surface between the injection molding tool and the insert 3 done as local partial warming.

Der Thermoplastanteil des Einlegers 3 wird dabei im Werkzeug aufgeschmolzen.The thermoplastic content of the insert 3 is melted in the tool.

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 6 und eine Vakuumabsaugung mittels der Vakuumpumpe 9 durchgeführt.In general, in the described method, a process-controlled pulse cooling device by means of the tool cooling device 6 and a vacuum suction by means of the vacuum pump 9 carried out.

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.The injection molding tool according to the invention shown in the figures consists of two mold halves 1 . 2 with one of the two halves moving relative to the other. The one tool half 1 in this case forms the cavity K. Further tool components are the vibration actuator 5 , the inductors 4 with the associated generator 8th for tool heating, tool cooling 6 and the associated pump 10 , and the extruder unit 7 coming from the extruder screw 13 and the feeder unit 12 exists, as well as the vacuum pump 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.The first step is a prefabricated textile 3 that's about a gripper device 17 (see. 4 ), from this for preheating under an infrared radiator 23 (please refer 1 and 8th ) or an external inductor 4 ' (please refer 7 ) guided. For this purpose, the closing-side mold half is opened in accordance with arrow a. Under the infrared radiator 23 / external inductor 4 ' becomes the textile 3 heated to just below the melting temperature of the contained thermoplastic polymer. The thermoplastics contained in the textile inlay can be, for example, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA) or polyetheretherketone (PEEK), in the case of PA the textile inlay can be preheated to 200.degree. The preheated textile 3 is now from the gripper 17 inserted into the tool with a slight pressure on the casting-side mold half 2 pressed. This achieves preforming of the later product. The semi-finished product is made by pressing on the tool half 2 and in addition by slide 15 fixed. In the 4 to see) locking 18 of the clamping frame 19 can be opened and moved out of the tool (see 2 ). It is also conceivable inserting an already consolidated (and heated in the previous process step) semi-finished product, which also by the gripper 17 is preformed and by slide 15 and the gripper 17 is fixed.

2 zeigt den vorgewärmten, in das Werkzeug eingelegten Textileinleger 3 bei noch offenem Werkzeug. 3 zeigt den Textileinleger 3 in dem geschlossenen Werkzeug. 2 shows the preheated textile inlaid in the tool 3 with the tool still open. 3 shows the textile insert 3 in the closed tool.

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.The next process step is now followed by the injection molding or injection-compression molding process. Before and during injection molding or injection-compression molding, the textile inlay is used 3 variotherm inductively brought to process temperature.

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.The inductive variothermic mold temperature control uses the so-called skin effect. Here, during the injection molding or injection-compression phase, the tool by means of the inductors 4 heated and during the ejection phase by the pulse cooling device 6 cooled. The tool halves 1 . 2 are heated by taking advantage of the skin effect. The effect is based on the fact that a conductor through which a high-frequency alternating current flows has only one electron flow (current density) at the surface ("skin") of the conductor. This can be explained by the fact that a magnetic field is formed around a conductor through which current flows, which generates eddy currents in an alternating current which are directed counter to the generator current flowing in the interior. The result is that the electrons are forced to the outside of the conductor (increased current density) and increases the effective resistance of the conductor. The increase of the conductor resistance is noticeable by a strong heating of the conductor. This effect depends on the frequency with which the magnetic field is generated. The heating is "transported" by convection to the surface of the mold halves. The tool surface can thus be heated or cooled in seconds.

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.Furthermore, a high-frequency alternating magnetic field is used for nanocomposite heating. Here, as in 5a . 5b . 6a . 6b sketched, by means of a high frequency alternating magnetic field 20 on the one hand the tool halves 1 . 2 and on the other hand simultaneously the thermoplastic polymer composite 22 , the nanoscale paramagnetic particles 21 contains, heated. The inductors 4 (see, for example. 3 ) are arranged in the tool so that the generated magnetic field is formed in the resulting cavity K of the tool. As a result of the alternating magnetic field, this is also due to the paramagnetically behaving nanoparticles 21 a magnetic field in the polymer composite 22 induced. ( 6a . 6b ) Here, the so-called superparamagnetism occurs. This effect describes the behavior of nanoparticles of a ferromagnetic material, which also very far below the Curie temperature (above this material-dependent temperature show ferromagnetic materials only paramagnetic properties) no magnetic properties obtained, ie in these very fine particles arrange the individual atomic magnetic Moments parallel to each other, as this is usually cheaper for the particles already at room temperature.

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.A collection of such particles 21 behaves macroscopically paramagnetic. However, with the property that the magnetic moments do not occur individually but in blocks. The magnetic field induced in the polymer composite (a conductor, the ferromagnetic particles, in a time-varying magnetic field) induces a voltage and a current (eddy current) in the conductor. The eddy current generates its own magnetic field, this is the cause of the induction directed against and moves the particles in motion (vibration), which leads by the finite resistance of the particle to a heating (due to the magnetic field generated by the eddy current). The particles contained in the matrix composite 21 are, as previously described, by the high frequency alternating magnetic field 20 vibrated. The generated vibrations of the particles 21 and the heat generated are applied to the matrix material or the polymer composite 22 transferred, which increases its fluidity as a result of heating. Through the introduced nanoscale particles 21 Improve the mechanical properties of the composite 22 and, for example, improved strength values can be achieved. This advantage allows further material reduction, which previously had to be applied to the fabric in the form of ribbing for reinforcement. This also leads to a weight reduction of the component.

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. According to the invention in the tool by the integrated vibration actuator 5 a vibration loosening of the inserted thermoplastic hybrid textile 3 achieved. Vibrations are generated that affect the flow and consolidation process of the inserted dry hybrid textile 3 accelerate and improve. Generally there is the hybrid textile 3 from several rovings which in turn consist of many individual filaments. In the rovings are or several different filament materials such. As glass fiber filaments, PA (PPA, PEEK) filaments, textile filaments or metal wire filaments are summarized. These rovings become the textile insert 3 woven with a fiber direction of, for example, 0 °, 90 ° or ± 45 °. By means of the vibration actuator 5 generated vibrations are loosened the fibers, which are due to the manufacturing process very close to each other, since when producing a roving the filaments are stretched and thereby have a rectilinear alignment. The melted thermoplastic matrix can now by the vibrations of the tissue 3 penetrate better and this then leads to improved consolidation of the tissue 3 , The complete consolidation of the tissue 3 improves the mechanical properties of molded parts as well as the surface shape of the molded part or component.

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.During the entire injection phase of the matrix polymer is by the vibration actuator 5 , which is a piezoelectric actuator 5 may be, the tool, in particular the Werkzeugkavitätbereich, vibrated. The piezo actuator 5 works after the piezoelectric effect, the deformation of a piezocrystal (stack) when applying a voltage. By applying a low-frequency AC voltage to the crystal, a sound wave is generated. This is applied by the direct coupling to the tool in the tool as vibration. The excited oscillation, which allows optimal consolidation of the fibers, should be set in the range 5-30 Hz. This is used in the present tool to provide an injection molding / injection molding process and the component to be manufactured (taking into account the matrix polymer used and its constituents, as well as the textile used 3 be it a fabric, scrim or knit) to create a tuned frequency. The vibrations are used to make the fibers of the dry textile inlay 3 loosen or respectively open at this stage of the process and, with the resulting improved impregnation with the matrix material, leads to improved consolidation of the textile inlay 3 is achieved at the same time reduced pore content.

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.In combination with the nanocomposite heating produced by the high-frequency alternating magnetic field described above, penetration of the matrix material melt between the individual filaments of the roving in the dry tissue 3 significantly improved. Furthermore, mechanical, pneumatic or electrical or hydraulic vibration generators are conceivable for generating the vibration.

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.The vibrations generated are according to the invention of the vibration of the inflowing matrix material rectified, but phase-shifted. This ensures that the individual filaments of the roving move relative to each other, due to the different filament materials (eg glass filament, PA filament) in a roving. The vibration entered into the closed tool is synchronized by the resulting amplitude to the movement of the melt stream, ie the movement of the melt is due to the movement of the tool and thus of the textile 3 Voted. It minimizes the friction between the filament and the matrix that exists during the melt flow. For this purpose, a precise coordination of the melt movement to the tool movement (in the millisecond range) is necessary. In order to achieve a control within such narrow limits, for injecting the matrix material into the cavity K in the tool ( 10 to 14 ) hydraulically operated needle valve nozzles 26 used. The needle valve nozzles ( 26 ) allow to control the exact inflow time and period over which injection is made. Furthermore, via these nozzles 26 applied a vibration in the matrix material. This is done via a hydraulic actuator with displacement sensors 27 generates an intermittent motion. About the nozzles 26 The molten matrix material in the corresponding or in the depending on the used polymer and textile 3 required oscillation be offset. By this stimulation of the matrix material, it is possible to realize a phase-shifted simultaneous movement between the tool and the melt stream. In this state is the fiber of the textile insert 3 loosened and a facilitated penetration of the matrix material is made possible. In addition, a pore reduction can be achieved by the vibrated matrix.

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. 10 to 14 refer to the synchronous injection-compression molding by means of the tool according to the invention. In this process, the injection compression tool ( 10 ) and the injection process of the matrix material begins. The high-pressure matrix penetrates into the textile inlay 3 and impregnate the filaments ( 11 ). Utilizing the contraction of the filaments, the injection compression tool is then reopened ( 12 ), but only by a small axial amount (eg 1 / 10-3 / 10 mm) and lingers in this position for a short moment, for example 1 to 5 s. The soaked textile 3 it contracts and it will be in the now subsequent phase excess matrix material injected into the tool ( 13 ) and thus reaches a melt overfilling in the tool. In the next phase, the embossing process ( 14 ). The recently injected under high pressure matrix material will now continue under increasing pressure in the fibers of the textile insert 3 crowded. The air bubbles introduced by the injection process and by the small opening phase are transported away due to the high pressure and the melt excess due to a prolonged embossing phase. The excess melt is in a Nebenkavität during the embossing process 28 collected. The excess amount is regulated by pressure. This is done via a solenoid valve 29 Access to the secondary cavity 28 released and the excess material can escape. When falling below a defined pressure, via a piezoelectric pressure sensor 30 is measured, in turn, via the solenoid valve 29 Access to the secondary cavity 28 closed. The melt excess is via a take-off device 31 from the Nebenkavität 28 discharged, crushed into granules and recycled the process or the extruder unit 7 fed again. This injection molding step makes it possible to reduce the pore content to less than 1%.

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.In the used "dry" textile 3 or multifunctional textile, electrically conductive wires, in particular metallic as well as carbon fiber wires, can be introduced. These then offer the possibility of health monitoring with which you can check in the "installed" state, whether a component was damaged by a crash or even destroyed.

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 9, die als Drehschieber (Flügelzellen), Flüssigkeitsring oder z. B. als Wälzkolben ausgeführt sein kann, auf dem Fachmann bekannte Weise ein Unterdruck erzeugt.The inventively integrated in the process vacuum suction is used to extract the remaining air in the tool. This serves to prevent the so-called diesel effect and a likewise improved penetration of the textile structure with the injected plastic. This is done with the vacuum pump 9 , as a rotary valve (vane), liquid ring or z. B. may be designed as a Roots, in a manner known in the art generates a negative pressure.

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.During this suction phase prevents a membrane 16 that the liquid plastic in the vacuum pump 9 can get. Only when reaching a defined pressure, z. B. between 0.5 and 0.9 bar, the vacuum generation is switched off. Then it is assumed that the tissue 3 sufficiently impregnated and consolidated and the possibly sprayed surfaces or matrix is / are air-free.

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.The mold temperature control according to the invention utilizing thermal insulation is based on the fact that a heat-insulating layer 24 is introduced into the tool. The layer 24 located on the surface of the ejector side cavity; it is made of a ceramic material (eg zirconium oxide), which prevents the heat input of the on-cast cavity from being transmitted via convection into the ejector-side cavity. As a result, the tool mass to be heated is greatly reduced, with the result that advantageously a small amount of energy for the mold temperature control is required. This lowers the process costs for the production of a semi-finished product or product. Shorter cycle times can be realized and productivity can be increased. Further, by the ceramic layer 24 avoiding contact of the textile insert with a metallic tool surface.

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.The angusseitige cavity is by means of a flat internal inductor 4 heated to homogeneous heat distribution in the tool, this could be in a matrix material such as polyamide z. B. 220 ° C be. In this case, the tool is brought to a basic temperature by means of an additional variothermal two-circuit tempering device. Only shortly before and during the injection molding process is by means of the inductor 4 brought the temperature at the tool surface to the melting temperature of the polymer to be processed. In the injection molding phase, the second circle of cooling is active and also heats the die-side mold half 2 at melting temperature with. Due to the induction heating and the heat-insulated ejector side very short heating cycles are possible. The angus-side cavity is cooled to the basic temperature only by means of the first circle of the temperature control in order to allow optimum molding.

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.This in 9 shown thermally insulated tool shows in the ejector side cavity additional cooling device 6 , which allows a quick impression and ensures an approximately constant temperature of this mold half.

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.Another alternative embodiment of the injection molding tool according to the invention is shown in FIG 15 and relates to the use of a spindle drive 5 as a vibration actuator 5 in order to maintain the tool cavity area or the textile insert located therein during the entire injection phase of the matrix polymer 3 to vibrate. This is the spindle drive 5 behind the ejector-side tool half 1 is positioned over one or more webs 5 '' through the ejector plate 35 through with a steel insert 5 ' connected, which is arranged in the Werkzeugkavitätbereich. There can also be the steel insert 5 ' axially in the direction of the injection device 7 '' be moved to realize a stamping process. Due to the low rotational inertia of the spindle drive provides a great deal of dynamism, which he can transfer to the sluggish injection mold. The resulting push-pull effect generates vibrations in the range of 3-20 Hz. An embossing stroke can be applied with 1-2 mm travel.

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.The spindle drive connected behind the tool 5 allows, on the one hand, the minimal vibrations caused by the spindle drive 5 in the steel insert 5 ' initiates the fibers of the textile insert 3 relaxed and vibrated. The resulting space is used for impregnation, whereby the frictional forces between fiber and matrix plastic melt are reduced by two-thirds or even more, so that the impregnation process is improved and closed voids between the fibers are better penetrated.

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.The with the help of the spindle drive 5 After the impregnation has been completed, the spray-injection step carried out comprises forming the embossing gap P by means of the spindle drive 5 coupled steel insert 5 ' in the cavity, injecting the additional matrix material into the cavity and the process of steel insert 5 ' in the direction of the injection device, whereby the material is embossed. Here can be dispensed with the opening of the tool for creating the embossing gap after impregnation of the textile insert.

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

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Claims (10)

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.Injection molding tool for the production of fiber composite plastic components from textile inserts ( 3 ) and a thermoplastic matrix material, wherein the injection mold a first tool half ( 1 ) and a second mold half ( 2 ) which are movable relative to one another and have mold regions which delimit a cavity (K), the injection mold - a vibration actuator ( 5 ), one of the tool halves ( 1 . 2 ), near the molding areas on at least one of the first and second tool halves ( 1 . 2 ) arranged inductors ( 4 ), One near the molding areas on at least one of the first and second mold halves ( 1 . 2 ) arranged tool cooling device ( 6 ) conveyed by a conveyor ( 10 ) is supplied with a cooling medium, - one on the first or the second mold half ( 1 . 2 ) arranged extruder unit ( 7 ), from which an injection channel ( 7 ' ) to at least one injection device ( 7 '' ), which is arranged for injection at the cavity (K), extends, - a vacuum pump ( 9 ), which via a vent line ( 9 ' ) is connected to the cavity (K) has. 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.Tool according to claim 1, characterized in that the injection device ( 7 '' ) a controllable needle valve nozzle ( 26 ) provided by an actuator ( 27 ), which comprises at least one displacement sensor, wherein the actuator ( 27 ), in particular a hydraulic actuator ( 27 ), which via a fluid line ( 33 ' ) with a pumping device ( 33 ) connected is. 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.Tool according to claim 1 or 2, characterized in that the first mold half ( 1 ) a closing tool half ( 1 ) and the second tool half ( 2 ) a die-side mold half ( 2 ), the extruder unit ( 7 ) of the casting-side mold half ( 2 ) assigned; and wherein the tool is a secondary cavity ( 28 ) for collecting a melt excess, which via a pressure-controlled valve ( 29 ) is connected to the cavity (K) connected to a pressure sensor ( 30 ), which is arranged on the cavity (K), wherein the secondary cavity ( 28 ) a trigger device ( 31 ) via a withdrawal pipe ( 32 ' ) with a conveying device ( 32 ) connected is. 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.Tool according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the tool with at least one controllable gripper device ( 17 ) and a preheating device ( 4 ' . 23 ), wherein the at least one gripper device ( 17 ), - the textile inlay ( 3 ) under the preheating device ( 4 . 23 ) and place in the tool during an opening phase of the tool, or - the textile inlay ( 3 ) during an opening phase of the tool in the tool and the preheating device ( 4 ' . 23 ), in particular an external inductor device ( 4 ' ) or an infrared radiation device ( 23 ), on the textile inlaid in the tool ( 3 ). 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.Tool according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the molding area of at least one of the tool halves ( 1 . 2 ), preferably the closing side mold half ( 1 ), with a heat-insulating layer ( 24 ), in particular of a ceramic material, is lined. 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).Process for the production of fiber composite plastic components from textile inserts ( 3 ) and a thermoplastic matrix material using an injection molding tool according to at least one of claims 1 to 5, comprising the steps: - preheating the textile inserter ( 3 ) to a temperature below a melting temperature of the matrix material, - inserting the textile inserter ( 3 ) into the mold, - preforming the preheated textile inlay ( 3 ) by pressing against a cavity defining the molding area of one of the tool halves ( 1 . 2 ), - closing the tool and tempering the textile inserter ( 3 ) to a process temperature through the inductors ( 4 ), - injecting the thermoplastic matrix material into the cavity of the tool through the extruder unit ( 7 ) while keeping the process temperature, and impregnating the textile inserter ( 3 ) with the matrix material, thereby - venting the cavity by means of the vacuum pump ( 9 ), - generating vibrations of the textile inlaid inserter ( 3 ) by the vibration actuator ( 5 ), - consolidation of the fiber composite plastic component by carrying out a pulse cooling device by means of the tool cooling device ( 6 ). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Matrixmaterial nanoskalige Partikel (21) aus einem ferromagnetischen Material enthält.A method according to claim 6, characterized in that the thermoplastic matrix material nanoscale particles ( 21 ) of a ferromagnetic material. 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.A method according to claim 6 or 7, comprising the step of injecting the thermoplastic matrix material - adjusting a movement of a melt stream of the matrix material with that through the Vibration actuator ( 5 ), wherein the matrix material melt intermittently or pulsating through the needle valve nozzles ( 26 ) is injected into the cavity (K) in a controlled manner, and wherein the generated movement of the melt stream is out of phase but rectified or simultaneous with the tool movement. 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).Method according to at least one of claims 6 to 8, comprising the steps: after impregnation of the textile inserter ( 3 ) with the thermoplastic matrix material - opening the tool and spacing the tool halves ( 1 . 2 ) by holding an embossing nip (P) in the range of 1/10 to 3/10 mm, - keeping the tool open for a period of time in the range of 5 to 10 seconds, thereby allowing the textile insert to be impregnated and consolidated to contract ( 3 ), - injecting additional matrix material into the cavity (K), - closing the tool again and increasing the pressure on the additional matrix material, - pressure-controlled opening of the valve ( 29 ) and collecting an excess amount of the matrix material in the secondary cavity ( 28 ), and recycling the excess matrix material into the extruder unit ( 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.Shaped fiber composite plastic component, comprising at least one textile inlaid with a thermoplastic matrix material ( 3 ), characterized in that - the thermoplastic matrix material nanoscale particles ( 21 ) comprises a ferromagnetic material, and / or - the textile insert ( 3 ) electrically conductive wires, in particular metallic or carbon fiber wires, which have a defined length and a defined cross-section and unidirectional or bidirectional in the textile insert ( 3 ) are integrated.
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