DE102012004168A1

DE102012004168A1 - Verfahren zum Spritzgießen von Hohlkörpern mit Endlosfaser-Verstärkungselementen

Info

Publication number: DE102012004168A1
Application number: DE201210004168
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-09-06

Abstract

Röhrenförmige Preforms bestehend aus vorkonsolidierten und/oder verfestigten (mittels chemisch, physikalisch, zum Beispiel thermischen oder auch kombinierten Verfahren) hybriden Schlauchgeflechten, die ein- oder mehrlagig sein können, diese bestehend aus mit Endlos-Kunststofffasern vermischten bzw. verwobenen Glas-, Kohle-, Kevlar-, Textil-, Natur- oder sonstigen Fasern (= röhrenartige Preforms aus geflochtenen Endlosfaserschläuchen), die durch Verwendung von Vorrichtungen und in dafür angepassten Spritzgießwerkzeugen positioniert und fixiert werden, so dass bei der Injektion der Kunststoffschmelze in die T-Preforms diese zuerst von innen heraus von einer Kunststoffschmelze durchströmt werden, folglich die T-Preforms von innen mit Kunststoff überströmt werden und anschließend ein Hohlraum durch ein beliebiges Verfahren der Fluidinjektionstechnik (zum Beispiel mit Inertgas, Wasser, Öl, Polymer etc.) erzeugt wird, wobei die Kunststoffschmelze entweder durch die Verwendung niedrig dichter Geflechte der T-Preforms deren Öffnungen (Maschen) durchströmt und die Werkzeugwand benetzt, oder bei Verwendung von T-Preforms mit hoher Geflechtdichte keine Durchströmung mit der Kunststoffschmelze stattfindet, sondern durch die Schmelzeinjektion und den Schmelzenachdruck das T-Preform so an die Werkzeugwände angelegt wird, dass eine innige formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoffinnenschicht und T-Preform erzeugt wird, das die Außenhaut des Formteils bildet (Variante 2, „Exo-Skelett”-Struktur).

Description

Anwendungsgebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Verbesserte mechanische Eigenschaften werden bei Kunststoffprodukten, die mittels Spritzgießen hergestellt werden, durch die Verwendung von kurz- oder langglasfaserverstärkten Kunststoffen erreicht und sind schon seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Sie werden zunehmend auch mit Sonderverfahren des Spritzgießens eingesetzt, um die Eigenschaften gezielt zu erhöhen.
Die Fluidinjektionstechnik; nachfolgend FIT genannt, ist eines dieser Sonderverfahren des Spritzgießens. Hierbei wird das Werkzeug teilweise oder vollständig mit einer Polymerschmelze gefüllt, anschließend wird ein Fluid (mit Inertgas, Wasser, Öl, Polymer etc.) über einen Injektor eingespritzt, um den noch schmelzeflüssigen Kern auszublasen, wobei die bereits an der Werkzeugwand verfestigte Kunststoffschicht die Außenkontur bildet. Auf diese Weise entsteht ein Hohlkörper. Es existieren zahlreiche Varianten der FIT-Prozesstechnik mit zugehörigen, daran angepassten Vorrichtungen.
Endlosfasern werden in Form von Matten, Gelegen und Geflechten bisher bei klassischen Verarbeitungsverfahren mit duroplastischen, also aushärtenden Kunststoffen, zum Fertigen von Faserverbundkunststoffen eingesetzt, mit den zughörigen Verfahren wie Pressen, Wickeln, Harzinjektion etc.. Im Bereich des Pressens finden auch fasermattenverstärkte Thermoplaste (zum Beispiel mit Glas „GMT”) ein Anwendungsgebiet mit. wachsendem Einsatzbereichen. Beim konventionellen Spritzgießen werden inzwischen vermehrt vorgeformte thermoplastische, flächige Vorformlinge (Prepregs) eingesetzt. Rundgeflechte zur Herstellung von Hohlkörpern kommen im Bereich des Schlauchblasens sowie der Extrusion und Pultrusion zur Anwendung.
Endlosfaserverstärkte Hohlkörper mit Schlauchgeflechten, die nach dem Spritzgießverfahren mit Einkomponenten- oder Sonderverfahren herzustellen sind, wurden inzwischen entwickelt (siehe dazu zum Beispiel DE 197 47 021 B4 und EP 1 005 408 B1 ). Die Verwendung von Schlauchgeflechten hat sich jedoch seit der Entwicklung durch die für komplexe Serienanwendungen schwierigen Prozesseigenschaften dieser Variante bis heute noch nicht verbreitert in der Praxis durchsetzen können und kann bislang vorrangig zur Fertigung von druckfesten Gewebeschläuchen eingesetzt werden.
Nachteile des Standes der Technik
Die mechanischen Eigenschaften werden beim Spritzgießen von verstärkten Kunststoffen im Wesentlichen durch die prozesstechnische Faserschädigung (sogenannte Restfaserlänge) und Faserausrichtung bestimmt.
Bei faserverstärkten Materialien findet während der Formfüllung eine teilweise Ausrichtung der Fasern in den Randschichten des Formteils in Strömungsrichtung statt. Die Eigenschaften senkrecht zur Faserorientierung sind aufgrund dreidimensionaler komplexer Orientierung in der Formteilmitte signifikant niedriger. Die daraus folgenden mechanischen Eigenschaften sind vorwiegend von der Ausrichtung der Fasern in den Randschichten bestimmt. Auch kann die Faserausrichtung und damit die mechanischen Eigenschaften beim konventionellen Spritzgießen durch die Positionierung des Anspritzpunktes im Werkzeug kaum beeinflusst werden.
Dies gilt auch für den Einsatz von FIT, wobei langgestreckte und stabförmige FIT-Hohlkomponenten aufgrund Fehlens der inneren nicht zur Festigkeit beitragenden Schichten bei axialen Belastungen sehr gut bewertet werden können. Bei Anwendungen mit Torsions- oder Innendruckbelastungen ist die Ausrichtung von Fasern in den äußeren Schichten sehr nachteilig, da die Orientierungen bei Querbelastungen ein Aufplatzen und Versagen der Struktur begünstigen.
Wenn der Faseraufbau gemäß der Bauteilbelastung definiert maßgeschneidert werden kann, das heißt die Fasern entsprechend den Vorzugsrichtungen der mechanischen Belastung ausgerichtet sind, kann eine gezielte und erhebliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Hohlkörpern im Spritzguss erzeugt werden. Dies ist besonders vorteilhaft mit Verstärkungsfasern in Endlosform zu erreichen, die ins Spritzgießteil als Verstärkungsfasern eingebracht werden und vollständig in die polymere Matrix eingebettet sind. Da die höchsten Belastungen eines Bauteils meist nur in bestimmten Bereich des Formteils auftreten, führt u. U. schon eine partielle Verstärkung zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der gesamten Komponente.
Die Verwendung von Schlauchgeflechten aus Endlosfasern bringt den ersten Schritt die Lösung des Problems. In der Praxis und bei eigenen Versuchsreihen ergaben sich jedoch einige gravierende Nachteile, die sich auf die Prozessfähigkeit und -stabilität nachteilig auswirken. Es hat sich inzwischen gezeigt, dass die Prozesseigenschaften mit unimprägnierten Fasern sich als schwierig kontrollierbar darstellen, da die Geflechte während des Prozesses verdreht bzw. verdrillt, verschoben oder ziehharmonikartig gefaltet werden können, auch wenn Fixierungen beim Einliegen der Geflechte vorgesehen werden. Zudem können die Geflechte durch den Schmelzedruck buchstäblich an das der Einspritzung entgegengesetzte Ende des Formnestes gedrückt („geschossen”) werden oder sich die Lage bzw. der Abstand zur Mittelachse des Formteils innerhalb der Kunststoffeinbettung, entlang des Fliessweges im Prozess verändert. Weiterhin benetzt und durchdringt der Kunststoff beim Einspritzen das Geflecht nicht konstant über die Fliessweglänge, auch können Maschen an nicht vorgesehenen Positionen innerhalb des Formnestes unerwünscht, aufgeweitet werden.
Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße Aufgabe, den Faseraufbau im Teil exakt gemäß der Bauteilbelastung abzubilden, nur unzureichend kontrollieren. Folglich sind einem Prozess mit Schlauchgeflechten für komplexere, zum Beispiel mit Krafteinleitungen und Endstücken versehenen Anwendungen von Seiten der Prozessstabilität sehr enge Grenzen gesetzt und Einschränkungen gegeben. Er hat sich daher bis heute außer zur Fertigung von druckfesten, flexiblen Gewebeschläuchen mit Kunststoffen aus Elastomeren (per Extrusion, nicht Spritzgießen), sowie im Bereich des Schlauchblasens sowie der Extrusion und Pultrusion zur Anwendung ( EP 0 639 443 A2 ) noch nicht für komplexe spritzgegossene Serienteile durchsetzen können.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, durch Endlosfasern verstärkte Hohlkörper nach dem Spritzgießverfahren herzustellen, um komplexe Anwendungen ohne die oben aufgeführten Einschränkungen herstellen zu können. Die Endlosfasern sollen dabei in Form von definiert und exakt gemäß der Belastung im Bauteil aufgebauten Schlauchgeflechten teilweise oder vollständig im Kunststoff eingebettet sein. Maschen und Faserstränge müssen vor dem oder beim Einspritzen mit Schmelze benetzt sein oder werden und während des Prozesses formstabil und unverschiebbar sein. Teil der Aufgabe ist auch, Anlagen und Werkzeuge zu definieren, die eine exakte Positionierung und Fixierung der Rundgeflechte im Spritzgießwerkzeug erlauben. Die auf diese Weise gefertigten Bauteile weisen die bekannten Vorteile durch Fertigung mittels Spritzgießverfahren und/oder durch die Kombination mit anderen Sonderverfahren, zum Beispiel FIT, auf. Es sollen bei Bedarf zusätzliche, integrierte Funktionsteile in einem Schuss produziert werden können, so dass sich damit eine hohe Integrationsdichte gegenüber Pressteilen ergibt. Die Fertigung schließt eine optimale Anbindung der Geflechte an die Krafteinleitungsbereiche in der Komponente ein, besonders für kraftübertragende oder druckbeaufschlagte Bauteile, wobei endkonturgemäß und ohne oder nur mit minimaler Nachbearbeitung gearbeitet wird.
Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 2 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren zum Spritzgießen von endlosfaserverstärkten Hohlkörpern mit Hilfe der Fluidinjektionstechnik FIT (zum Beispiel mit Inertgas, Wasser, Öl, Polymer etc.), im folgenden Pre-FIT (Preform-Fluidinjektionstechnik) genannt, bietet folgende Vorteile: Starke Verbesserung der Bauteileigenschaften durch definierte und kontrollierte Faseranordnung, zum Beispiel Erhöhung der Torsions-, Zug- und Druckfestigkeit, der Dauerschwingfestigkeit, des Berstdrucks bei innendruckbeaufschlagten Rohren und Leitungen, hohe Integrationsdichte, da weitere zusätzliche Funktionsteile direkt an das Bauteil in einem Schuss oder mehrstufig angespritzt werden können, womit zusätzliche Montageschritte entfallen. Die Formteile haben maßgeschneiderte, optimale Oberflächen, es können alle bekannten thermoplastischer Kunststoffe, auch recycelte und/oder faserhaltige verwendet werden. Das Verfahren funktioniert sowohl für konventionelles Spritzgießverfahren (kompakt oder geschäumt), für alle Varianten der FIT, auch für andere Sonderverfahren und deren Kombination.
Die Vorteile von Pre-FIT werden erfindungsgemäß erreicht durch den Einsatz von röhrenartige Preforms aus geflochtenen Endlosfaserschläuchen, nachfolgend T-Preform genannt (T = tube = Röhre), die aus beliebigen Endlosfasern und Geflechtarten oder Kombinationen aufgebaut sind (zum Beispiel Glas-, Kohle-, Polymer- und Metallfasern und mehrlagige oder gemischte Fasergeflechte), die vor oder bei der Herstellung mit dem Matrixpolymer oder einem anderen Kunststoff beschichtet werden und damit die Eigenschaft der Vorverfestigung besitzen. Die wesentlich exaktere Positionierfähigkeit und Fixierung bei Verwendung von stabilen Gebilden, von flächigen Folien und Einlegern ist bei Techniken wie zum Beispiel Hinterspritzen und bei der In- und Outserttechnik nachgewiesen worden, wodurch eine optimale Prozessfähigkeit erreicht wird. Die Verstärkung der Polymermatrix kann auch durch hoch verstreckte und/oder extrem langkettige Kunststofffasern fasern aus dem Matrixmaterial, sogenannte Eigenfasern, oder aber auch sich von der Matrix unterscheidenden Polymerfasern.
Da Pre-FIT die Prozessabläufe des Spritzgießens und der Fluidinjektionstechnik (zum Beispiel mit Inertgas, Wasser, Öl, Polymer etc.) weiterentwickelt, weisen mit dem neuen Verfahren gefertigte Bauteile die Vorteile dieser Einzelprozesse auf. So ermöglicht das Spritzgießen automatisierbare, reproduziergenaue Fertigungsabläufe mit hohen Stückzahlen, die im Vergleich zu anderen Verfahren preiswerter sind, der Einsatz der Fluidinjektionstechnik ergibt bei Pre-FIT größere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Formteileauslegung (gewölbte, gekrümmte oder gekröpfte Strukturen, für dickwandige und Formteile großen Durchmessers erzielt man kürzere Zykluszeiten, bei gleicher Masse ergibt sich eine Erhöhung der mechanischen Steifigkeit (größerer Abstand zur neutralen Faser), das Schwindungsverhalten wird gleichmäßiger, Eigenspannungen sind auf niedrigerem Niveau, ebenso der Verzug. Einfallstellen an Oberfläche und bei Masseanhäufungen in Domen und Rippen können aktiv beeinflusst und reduziert werden
Vorteilhaft ist es, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei die erste innenliegende Kunststoffschicht durch Öffnungen im T-Preform sogenannte „Spacer” spritzt, die nach dem Umsetzen in die zweite Kavität für eine besonders einfache, aber effektive und präzise Fixierung ohne weitere Elemente ermöglicht. Die Spacer werden anschließend von der zweiten Kunststoffschicht umströmt und sind nach dem Abkühlen des Kunststoffes in die Oberfläche des Formteils integriert.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass die Schichten aus denselben oder verschiedenen Kunststoffen um das T-Preform des Hohlkörpers über die Endstücke des Hohlkörpers hinaus in das Werkzeug gefüllt werden und so bei Bedarf durch eine entsprechenden Formnestkontur als Elemente zur Funktion und/oder Krafteinleitung ausgeformt werden können. Diese können wiederum durch weitere, am rohrartigen T-Preform befestigte Preforms verstärkt und ergänzt werden. Dabei ermöglicht ein teleskop-artiger Aufbau aus T-Preforms im späteren Bauteil einen stufenweisen, hoch effektiven Abbau von Aufprallenergie, zum Beispiel für integrierte Pre-FIT Crashboxen. Weiterhin ist eine Variante mit Durchdringung von mehreren T-Preforms zum Beispiel an Krafteinleitungspunkten vorteilhaft, die zum Beispiel durch Spritznieten oder Montagespritzguss separat oder simultan im Prozessschritt des Einspritzens von Kunststoff und Fluid verbunden werden. Auch ist ein Vorfügen zum Beispiel durch Laserschweißen, Kleben oder Pulverbeschickten möglich, wobei dieser Schritt vor dem Einlegen in das Werkzeug ausgeführt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der daraus entstandene Hybrid-Hohlkörper einzeln oder zu mehreren wie ein Normteil oder Insert in ein weiteres Werkzeug transportiert oder eingelegt und mit demselben oder einem verschiedenen Kunststoff umspritzt wird und so bei Bedarf durch eine entsprechenden Formnestkontur ein partiell verstärktes neues Hybridbauteil gefertigt werden kann, was vorzugsweise bei Anwendungen wie Crashelementen, Frontends, Seiten-, Dach und Türaussteifungen, Armaturenträgern sowie Stabilisatorstreben und Flügel für zum Beispiel vertikale Windkraftanlagen vorteilhaft zur Stabilitätserhöhung, verbesserten Aufnahme von Aufprallenergie oder rotatorischen Belastungen genutzt werden kann.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass eine oder mehrere der Kunststoffschichten um das T-Preform durch ein chemisches Reaktionsverfahren bzw. PU-Verfahren (Polyurethan), Reaction Injection Moulding (RIM) genannt, gebildet werden, wobei der Hohlraum wie zuvor durch Fluidinjektion erzeugt wird und/oder weitere Schichten aus demselben oder mit einem Mehrkomponenten-Verfahren hergestellt werden können.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass das Formnest im Spritzgießwerkzeug vor Einspritzbeginn des Kunststoffes mit unter Druck stehendem Inertgas (Gasgegendruck) gefüllt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten ohne Einsatz der Fluidinjektionstechnik mittels Werkzeug- oder Faltkernen ausgebildet wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten ohne Einsatz der Fluidinjektionstechnik mittels Werkzeugkernen aus niedrigschmelzenden, nach der Formteilbildung ausgeschmolzenen Metalllegierungen oder aus Stärkekunststoffen, die nach der Formteilbildung durch Mikrowellenenergie aufschäumen und anschließend mit Wasser ausgespült werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik und einem anschließendem Prägevorgang (Spritzprägen) gebildet wird, um eine besonders innige Verbindung der Schichten zu erreichen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik und einem anschließendem, auch druckgeregeltem Expansionsvorgang des Werkzeugs während des Einspritzen des Kunststoffes gebildet wird, um eine besonders kontrollierte Schichtenbildung um das T-Preform zu erreichen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform und die Kunststoffschichten aus eigenfaserverstärktem Kunststoff bestehen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform aus fest eingelegten oder simultan zum Prozess dem Werkzeug zugeführten, pultrudierten Strängen aus eigenfaserverstärktem Kunststoff einzeln oder verbunden (Käfig) aufgebaut ist und die umspritzten Kunststoffschichten auch aus eigenfaserverstärktem Kunststoff bestehen (Exo- und/oder Endoskelett).
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform und/oder auch die umspritzten Kunststoffschichten aus mit Nanopartikel oder anderen Partikeln modifiziertem Kunststoff aufgebaut ist, der im Werkzeug selektiv durch die Anwendung von Mikrowellen-, induktiver und/oder konduktiver oder kombinierter Energie variotherm beheizt und angeschmolzen werden, um so eine besonders innige Verbindung von T-Preform und Kunststoffschichten zu erreichen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform vor dem Einlegen außerhalb des Werkzeugs selektiv oder vollständig oder variotherm durch die Anwendung von Infrarot, Mikrowellen-, induktiver und/oder konduktiver oder kombinierter Energie erwärmt wird, um so eine besonders innige Verbindung von T-Preform und Kunststoffschichten zu erreichen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das Werkzeug innerhalb der Formplatten eine Füllung aus niedrigschmelzender Metalllegierung als Zwischenwärmeträger besitzt und so eine optimierte, d. h. schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung der Formnestkontur erreicht wird, um so eine besonders innige Verbindung von T-Preform und/oder Kunststoffschichten zu erreichen, wobei das Verfahren auch variotherm zum Erreichen von getakteten Spitzentemperaturen in besonderen und kritischen Werkzeugbereichen eingesetzt werden kann, was auch vorteilhaft für das Spritzgießen von Kunststoffen ohne T-Preform ist.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit oder ohne Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei zur Qualitätssicherung des Verfahrens das T-Preform vor dem Einlegen außerhalb des Werkzeugs mittels Röntgen-Refraktionstechnologien auf die innige Verbindung der Komponenten des T-Preforms (Faser und Matrix) getestet wird und/oder das zweischichtige Hybridteil nach dem ersten und/oder das dreischichtige Hybridteil nach dem zweiten Einspritzvorgang mittels Röntgen-Refraktionstechnologien auf die innige Verbindung des T-Preforms und der umgebenden Kunststoffschichten geprüft wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform vor dem Einlegen außerhalb oder nach dem Einlegen innerhalb Werkzeugs mittels einer Vorrichtung selektiv oder ganz gekrümmt wird und/oder teilweise flach verformt, um der Formkontur angepasst zu werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform und/oder die umspritzten Kunststoffschichten Faserelemente als Spannungssensoren oder elektronische Schaltungen als Funktionselemente enthalten.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform nicht oder mit einem Lack oder einem Klebstoff beschichtet ist und/oder eine oder beide umspritzte Schichten aus Lack, Kleber oder einer Beschichtungssubstanz aufgebaut oder mit diesen beschichtet sind, um eine dekorative und/oder funktionelle Wirkung und/oder eine optimierte Verbindung/Haftung für eine vollständige oder teilweise Umspritzung mit einer dritten Kunststoffschicht aus einem nachfolgenden Prozessschritt zu erhalten.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten ohne Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform einen geschlossenen runden oder an die spätere Funktion angepassten nicht runden Querschnitt aufweist, der durch Überflechten mit Schlauchgewebe auf einen geometrisch im Durchmesser und in der Längsrichtung geraden, einfach oder mehr gewölbten oder geknickten Hilfskern, der aus Vollmaterial oder hohl sein kann, erzeugt wird, der anschließend nicht oder zum Beispiel mittels Energie, Pulver oder Kleber oder Polymer vorfixiert wird, bevor er in die Form eingelegt und mit Kunststoff umspritzt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei der Hohlraum innerhalb der ersten inneren Kunststoffschicht durch einen Formkörper oder Projektil ausgebildet wird, der unter Druck die plastische Seele des zuerst in das T-Preform eingespritzten Kunststoffs verdrängt.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass die erste, innere Kunststoffschmelze innerhalb des T-Preforms unter Druck hin- und herbewegt wird, wobei die Kunststoffschmelze mittels einer Mehrkomponenten-Spritzgießvorrichtung eingespritzt und bewegt wird, um dadurch eine vorteilhafte Festigkeitserhöhung durch optimale Orientierung von Kunststoffmolekülen und dem Kunststoff beigemischten Fasern zu erreichen, bevor mittels Einsatz der Fluidinjektionstechnik der Hohlkörper gebildet wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform vor dem Einlegen in das Werkzeug nicht, das heißt nur hilfsweise fixiert oder nur teilweise konsolidiert oder verfestigt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform vor dem Einlegen in das Werkzeug nicht, das heißt nur hilfsweise fixiert oder nur teilweise konsolidiert oder verfestigt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das T-Preform vor dem Einlegen in das Werkzeug nicht, das heißt nur hilfsweise fixiert oder nur teilweise konsolidiert oder verfestigt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei die zweite außenliegende Kunststoffschicht durch ein Heißkanal mittels Kaskadenspritzguss ausgebildet wird, der lange Fließwege ohne Bindenähte, speziell bei langgestreckten Komponenten wie zum Beispiel Stoßfängerstrukturen, ermöglicht.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das Verfahren so durchzuführen, dass der Hohlkörper mit T-Preform und Kunststoffschichten mit Einsatz der Fluidinjektionstechnik gebildet wird, wobei das Formnest des Werkzeugs konturnah und bei Bedarf variotherm mit sogenannten Rapid Heat Ceramics (RHC) beheizt wird, die eine besonders direkte und daher effektive Vorwärmung und Temperierung der T-Preforms innerhalb des Werkzeugs ermöglichen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Darstellung des Verfahrensablaufs
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Pre-FIT, zum Beispiel kraftübertragende oder rohrartige Bauteile, wie Stabilisatoren, Streben, Stringer, Träger, Crashelemente wie Crashboxen, Pedale, Griffe, Hebel, Gelenkwellen, Wellen oder Druckrohre. Aber auch komplex, teilweise aufgebaute Komponenten wie Dachelemente und -Versteifungen, Kofferraumklappen, Front-, Rück und Seitenaufprallschutz sowie teleskopisch aufgebaute, gezielt versagende und Aufprallenergie absorbierende Crashelemente.
Grundsätzlich können alle Varianten des Spritzgießverfahrens und der Fluidinjektionstechnik, wie Aufblas-, Ausblas- und Kernzugverfahren mit Fluiden wie Inertgas, Wasser, Öl oder Polymer eingesetzt werden.
Der Verfahrensablaufs ist in den am Ende des Dokuments gezeigten Bildern und Skizzen dargestellt und wird in Anspruch 1 und Anspruch 2) näher beschrieben.
Es zeigen:
1: Beispiel für den Verfahrensablauf eine Variante nach Anspruch 1 und 2
(schematische Darstellung, Werkzeugfunktion nicht dargestellt, der Schichtenaufbau und die Geometrie und Position des durch das Einspritzen des Fluids gebildeten Hohlraums ist ebenfalls nur schematisch dargestellt).
2: Beispiel für die Herstellung und Vorbereitung der T-Preforms durch Flechttechniken und Beschichten (schematische Darstellung).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19747021 B4 [0005]
EP 1005408 B1 [0005]
EP 0639443 A2 [0011]

Claims

Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass röhrenförmige Preforms (1, A 4), bestehend aus vorkonsolidierten und/oder verfestigten (mittels chemisch, physikalisch, zum Beispiel thermischen oder auch kombinierten Verfahren) hybriden Schlauchgeflechten, die ein- oder mehrlagig sein können, diese bestehend aus mit Endlos-Kunststofffasern vermischten bzw. verwobenen Glas-, Kohle-, Kevlar-, Textil-, Natur- oder sonstigen Fasern (= röhrenartige Preforms aus geflochtenen Endlosfaserschläuchen, nachfolgend T-Preform genannt (T = tube = Röhre), die durch Verwendung von Vorrichtungen und in dafür angepassten Spritzgießwerkzeugen (1, A 4) positioniert und fixiert werden, so dass bei der Injektion der Kunststoffschmelze in die T-Preforms diese zuerst von innen heraus von einer Kunststoffschmelze durchströmt werden (1, A 1), folglich die T-Preforms von innen mit Kunststoff überströmt werden und anschließend ein Hohlraum (1, A 2 und A 6) durch ein beliebiges Verfahren der Fluidinjektionstechnik (zum Beispiel mit Inertgas, Wasser, Öl, Polymer etc.) erzeugt wird, wobei die Kunststoffschmelze entweder durch die Verwendung niedrig dichter Geflechte der T-Preforms deren Öffnungen (Maschen) durchströmt und die Werkzeugwand benetzt (Variante 1), oder bei Verwendung von T-Preforms mit hoher Geflechtdichte keine Durchströmung mit der Kunststoffschmelze stattfindet, sondern durch die Schmelzeinjektion und den Schmelzenachdruck das T-Preform so an die Werkzeugwände angelegt wird, dass eine innige formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoffinnenschicht und T-Preform erzeugt wird, das die Außenhaut des Formteils bildet (Variante 2, „Exo-Skelett”-Struktur).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fertigen des Hohlraums und der Innenschicht aus einem Kunststoff das im ersten Schritt entstandene Exo-Skelett-Kunststoffhybridteil als neues T-Preform in eine zweite, größere Werkzeugkavität in demselben Werkzeug transportiert oder eingelegt wird und anschließend nochmals ganz (1, B 3) oder teilweise mit demselben Kunststoff von außen überspritzt wird, so dass eine innige formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoffaußenschicht und T-Preform/Kunststoffvorspritzling erzeugt wird, das nun die neue Außenhaut des Formteils bildet (Variante 3, „Endo-Skelett”-Struktur).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen der Kunststoffschichten entweder durch dieselbe oder eine zweite daneben positionierte Formöffnung (Anguß) oder durch eine dem ersten gegenüber liegende Formöffnung („offene Kavität”) eingespritzt wird, und/oder durch Heißkanalsysteme zum Formnest geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung und Fixierung der T-Preforms mit Hilfe von Vorrichtungen, Fixateuren, zum Beispiel verlängerten Auswerferstiften, mit Einlege- und/oder Anspritzteilen, zum Beispiel aus Kunststoff, oder mit Schiebern erfolgt, die bei Bedarf als Funktionsteile am Formteil verbleiben können.
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung, Fixierung und bei Bedarf der Transfer der T-Preforms mit Hilfe von Vorrichtungen erfolgt, die im Spritzgießwerkzeug integriert sind, zum Beispiel mechanische, hydraulische oder elektrische Schieber und/oder Drehelemente wie Indexplatten, horizontale oder vertikale Teller (2 Funktionsebenen) oder „Würfel” (4 Funktionsebenen).
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen oder Schieber vor oder simultan zum Einspritzens der Kunststoffschichten um das T-Preform zum Zweck der Öffnung von Zusatz- oder Nebenkavitäten gezogen werden können, in die der bei der Hohlkörperbildung verdrängte Kunststoff überlaufen und eingespritzt werden kann.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kunststoffe kompakte Schichten um das T-Preform des Hohlkörpers bilden, wobei die Kunststoffschmelzen zweistufig oder gleichzeitig nach einem Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren, zum Beispiel Sequenzverfahren, Co-Injektion oder Sandwich oder Kombinationen eingespritzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus denselben oder verschiedenen Kunststoffen um das T-Preform des Hohlkörpers ganz oder teilweise durch chemische oder physikalische Treibmittel aufgeschäumt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus denselben oder aus verschiedenen Kunststoffen das T-Preform des Hohlkörpers ganz oder teilweise bedecken.
Fertigungsvorrichtung zum Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage entweder als Spritzgießmaschine mit einer oder mehreren Spritzeinheiten, als horizontale Presse mit beigerüsteter(n) Spitzeinheit(en) oder als Direkt-Compounder, bestehend aus Extrudereinheit mit Endlosfaserzuführung und Kolbeneinspritzeinheit, aufgebaut sein kann, wobei die Einspritzphase einer Spritzeinheit der genannten Vorrichtungen mit demselben Material auch mehrstufig zum Erzeugen der inneren und der äußeren Schicht des Hohlkörpers erfolgen kann. Die Spritzeinheiten können auch in Form von Kolbenvorrichtungen mit Schmelzespeicher ausgeführt sein.