-
Die Erfindung betrifft ein Injektionsverfahren zur Herstellung eines, eine geometrische Struktur aufweisenden, faserverstärkten Kunststoffbauteiles nach dem Patentanspruch 1, ein Kunststoffbauteil nach dem Patentanspruch 6 sowie ein Injektionswerkzeug zur Durchführung des Injektionsverfahrens nach dem Patentanspruch 12. Eine solche geometrische Struktur kann beispielhaft eine domartige Krafteinleitungsstelle oder Rippen, etc. sein.
-
Ein faserverstärktes Kunststoffbauteil kann in einem gängigen RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) hergestellt werden, bei dem zunächst ein Faser-Halbzeug, zum Beispiel eine Fasermatte, ein Fasergewebe, ein Fasergeflecht, -gestricke, -gelege oder -vlies als ein Einleger in eine Formkammer eines Injektionswerkzeuges eingelegt wird. Anschließend wird ein flüssiges Matrixmaterial, zum Beispiel eine Komponentenmischung aus Harz und Härter, in die Formkammer eingespritzt. Das Matrixmaterial und der Fasereinleger werden dann unter Wärme und Druck ausgehärtet und aus der Spritzgießform entnommen. Beispielhaft ist aus der
DE 10 2011 012 900 A1 ein solches RTM-Verfahren bekannt.
-
Ein derart hergestelltes Kunststoffbauteil kann eine angeformte geometrische Struktur aufweisen, das materialeinheitlich und/oder einstückig am Kunststoffbauteil angeformt ist. Eine solche geometrische Struktur ist beispielhaft aus der
DE 103 42 183 A1 bekannt. Die geometrische Struktur ragt hier domartig unter Materialverdickung von einem Grundkörper des Kunststoffbauteiles vor und kann zum Beispiel als Schraubansatz oder als ein Schmelzansatz ausgeführt sein, an dem ein weiteres Bauteil anbindbar ist. In gängiger Praxis wird bislang bei einem im RTM-Verfahren hergestellten Kunststoffbauteil ein solcher Harzdom aus reinem Matrixmaterial gebildet, der beim Injizieren in eine Teilkammer der das Kunststoffbauteil definierenden Formkammer eingefüllt wird. Aufgrund der fehlenden Faserverstärkung in dem reinen Matrixmaterial des Harzdom-Bereichs ergibt sich jedoch eine hohe Sprödigkeit.
-
Aus der
WO 2011/023322 A1 ist die Herstellung eines einen faserverstärkten Harzdom aufweisenden Kunststoffbauteils bekannt. Das Kunststoffbauteil wird jedoch nicht im RTM-Verfahren hergestellt. Vielmehr werden die Ausgangskomponenten des faserverstärkten Kunststoffbauteils, das heißt ein Polyurethanreaktivgemisch und lange Fasern, in ein Formwerkzeug eingebracht und unter Druck und Wärme zum Kunststoff-Bauteil geformt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein, insbesondere im RTM-Verfahren hergestelltes, Kunststoffbauteil bereitzustellen, dessen geometrische Struktur in einfacher Weise verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist.
-
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, des Patentanspruches 6 oder des Patentanspruches 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass es bei einer Ausbildung der im Kunststoffbauteil integrierten geometrischen Struktur aus reinem Matrixmaterial im Krafteinleitungsfall zu einem nachteiligen Sprödbruch kommen kann. Vor diesem Hintergrund ist erfindungsgemäß nicht nur ein Grundkörper des Kunststoffbauteiles, sondern auch die daran angeformte geometrische Struktur aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Die Herstellung erfolgt gemäß dem Patentanspruch 1, insbesondere in einem RTM-Verfahren, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt ein Faser-Einleger in eine, die Negativform des Kunststoffbauteil-Grundkörpers nachbildende Hauptkammer eines Injektionswerkzeuges eingelegt wird. Der Faser-Einleger nimmt dabei lediglich die Hauptkammer des Injektionswerkzeuges ein, während eine die Negativform der geometrischen Struktur nachbildende Teilkammer des Injektionswerkzeuges noch freibleibt. In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt wird ein Matrixmaterial in die Hauptkammer mit dem darin befindlichen Faser-Einleger eingespritzt. Das Matrixmaterial wird im zweiten Verfahrensschritt alleine in die Hauptkammer, das heißt unter Freilassung der Teilkammer, eingespritzt. In einem weiteren dritten Verfahrensschritt wird nicht mehr das Matrixmaterial in die noch freie Teilkammer eingespritzt, sondern vielmehr ein faserverstärktes Kunststoffmaterial. Unter Wärme- und Druckeinwirkung folgt dann die Aushärtung des faserverstärkten Kunststoffmaterials sowie des Matrixmaterials und anschließend die Entnahme des Kunststoffbauteils aus dem Injektionswerkzeug.
-
Bevorzugt kann das Injektionswerkzeug Werkzeughälften aufweisen, die die Hauptkammer und die Teilkammer begrenzen. Das Injektionswerkzeug kann zudem zumindest einen verstellbaren Schieber aufweisen, mit dem die Teilkammer freigebbar bzw. verschließbar ist. Bei Durchführung des Injektionsverfahrens ist im zweiten Verfahrensschritt die Teilkammer mittels des Schiebers verschlossen, während im dritten Verfahrensschritt die Teilkammer vom Schieber freigegeben ist, um das oben genannte faserverstärkte Kunststoffmaterial einzuspritzen.
-
Bevorzugt kann das oben genannte Verfahren nicht mit Mehrpunktinjektionen durch mehrere Injektionsstellen durchgeführt werden, die in die Haupt-/Teilkammern münden, sondern mittels einer Punktinjektion, bei der an einer zentralen, das heißt gemeinsamen Injektionsstelle sowohl das Matrixmaterial im ersten Verfahrensschritt als auch das faserverstärkte Kunststoffmaterial im zweiten Verfahrensschritt eingespritzt wird.
-
Bei den erfindungsgemäßen zweistufigen RTM-Verfahren ist speziell eine stabile Anbindung der geometrischen Strukturam Grundkörper des Kunststoffbauteiles von Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann im Prozessverlauf bei Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes das bereits in die Hauptkammer eingespritzte Matrixmaterial zumindest am Übergang zur geometrischen Struktur noch geschmolzen sein. Das noch geschmolzene Matrixmaterial kann daher mit dem in die Teilkammer eingespritzten, faserverstärkten Kunststoffmaterial vermischt werden.
-
Für eine einwandfreie Anformung der geometrischen Struktur an den Grundkörper des Kunststoffbauteils ist es zudem bevorzugt, wenn das Matrixmaterial und die Kunststoffkomponente des faserverstärkten Kunststoffmaterials materialähnlich oder materialidentisch sind. Das Kunststoffmaterial und/oder das Matrixmaterial können beispielsweise duroplastisch oder thermoplastisch sein. Bevorzugt kann das Matrixmaterial ein Reinharz sein, bei dem Zusatzstoffe, etwa ein Härter, zugemischt sind.
-
Wie oben erwähnt, ist für eine stabile Krafteinleitung im Zusammenbauzustand eine einwandfreie Anbindung der geometrischen Struktur am Grundkörper des Kunststoffbauteiles von Bedeutung. Die geometrische Struktur kann zudem für eine beschädigungsfreie Krafteinleitung in etwa domartig sowie unter Materialverstärkung von dem Grundkörper des Kunststoffbauteiles vorragen. Die geometrische Struktur kann zur Optimierung des Kunststoffbauteils auch rippenartig ausgeführt sein. An die geometrische Struktur kann ein weiteres Bauteil angebunden sein. In diesem Fall kann die geometrische Struktur als ein Schraubansatz oder als ein Schmelzansatz ausgeführt sein. Alternativ dazu kann die geometrische Strukturauch als Abstützbasis für das Kunststoffbauteil dienen, ohne feste Anbindung an einem weiteren Bauteil.
-
Bevorzugt kann das in die Teilkammer eingespritzte Kunststoffmaterial mit Kurzfasern faserverstärkt sein. Auf diese Weise ist das Einspritzen des faserverstärkten Kunststoffmaterials in die Teilkammer des Injektionswerkzeuges vereinfacht. Zur weiteren Optimierung der Festigkeitseigenschaften des Grundkörpers kann der Fasereinleger eine Fasermatte sein und/oder der Fasereinleger aus Langfasern gefertigt sein.
-
Die Fasern können aus jedem geeigneten Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, beispielsweise können die Fasern aus Glas, Carbon, Aramid, Basalt oder jeglicher Art von Naturfasern sein.
-
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
-
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen lediglich beispielhaftnäher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 in einer Perspektivdarstellung ein Kunststoffbauteil;
-
2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 1;
-
3 eine Ansicht, anhand der ein erster Verfahrensschritt zur Herstellung eines Kunststoffbauteils veranschaulicht ist;
-
4 eine Ansicht, anhand der ein zweiter Verfahrensschritt zur Herstellung eines Kunststoffbauteils veranschaulicht ist;
-
5 eine Ansicht, anhand der ein dritter Verfahrensschritt zur Herstellung eines Kunststoffbauteils veranschaulicht ist;
-
6 in einer Ansicht entsprechend der 1 das Kunststoffbauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
-
7 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene B-B aus der 6; und
-
8 in einer Ansicht entsprechend der 2 ein Kunststoffbauteil nach dem Stand der Technik.
-
In der 1 ist ein Kunststoffbauteil 1 gezeigt, das sich einstückig aus einem Grundkörper 2 und einem von der Oberfläche des Grundkörpers 2 abragenden Dom 3 zusammensetzt. Der Dom 3 ist eine geometrische Struktur des Kunststoff-Bauteils 1. Zur Krafteinleitung ist ein Onsert 4 auf den Dom 3 aufgeklebt, der zur Anbindung weiterer Bauteile an das Kunststoffbauteil 1 ein Innengewinde aufweist. Gemäß der 2 weist der Grundkörper 2 des Kunststoffbauteils 1 eine Materialstärke s1 auf. Der Dom 3 bildet eine Materialverdickung, die mit einem Übermaß Δs von dem Grundkörper 2 abragt. Dadurch weist das Kunststoffbauteil 1 im Bereich des Doms 3 eine größere Materialstärke s2 auf als außerhalb des Doms 3.
-
Des Weiteren ist das Kunststoffbauteil 1 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gefertigt. Gemäß der 2 ist der Grundkörper 2 aus einem gepunktet angedeuteten Matrixmaterial 5 gefertigt, in dem eine Fasermatte 7 eingebettet ist. Der Dom 3 ist aus einer ebenfalls gepunktet angedeuteten Kunststoffkomponente 8 gefertigt, die mit Kurzfasern 9 verstärkt ist.
-
Im Folgenden werden nun anhand der 3 die Verfahrensschritte zur Herstellung des Kunststoffbauteils 1 erläutert. Die Herstellung erfolgt in einem RTM-Verfahren.
-
Die Herstellung des Kunststoffbauteils 1 erfolgt mittels eines Injektionswerkzeugs 11. Das Injektionswerkzeug 11 weist eine obere Werkzeughälfte 13 und eine untere Werkzeughälfte 15 auf, die eine Hauptkammer 17 und eine Teilkammer 19 begrenzen. Die Hauptkammer 17 bildet die Negativform für den Grundkörper 2 aus und die Teilkammer 19 bildet die Negativform für den Dom 3 aus. Die Teilkammer 19 ist mittels hydraulisch verstellbaren Schieberelementen 21 verschließbar oder freigebbar. Zum Verschließen der Teilkammer 19 (3) sind die Schieberelemente 21 in der Teilkammer 19 angeordnet, zum Freigeben der Teilkammer 19 (5) sind die Schieberelemente 21 in Aussparungen 22 aufgenommen.
-
Des Weiteren ist der oberen Werkzeughälfte 13 des Injektionswerkzeugs 11 eine Injektionsvorrichtung 23 zugeordnet. An die Injektionsvorrichtung 23 ist eine erste Leitung 25 zum Zuführen des Matrixmaterials 5 und eine zweite Leitung 27 zum Zuführen der mit Kurzfasern 9 verstärkten Kunststoffkomponente 8 angeschlossen. An die Injektionsvorrichtung 23 sind auch weitere Leitungen, beispielsweise zur Beimischung eines Härters oder eines Trennmittels anschließbar. An einer in die Teilkammer 19 mündenden zentralen Injektionsstelle 28 sind das Matrixmaterial 5 und die mit Kurzfasern 9 verstärkte Kunststoffkomponente 8 in die Teilkammer 19 und in die direkt an die Teilkammer 19 angrenzende Hauptkammer 17 einspritzbar.
-
In einem ersten Verfahrensschritt I gemäß der 3 wird die Fasermatte 7 in die Hauptkammer 17 des geöffneten Injektionswerkzeugs 11 eingelegt und anschließend das Injektionswerkzeug 11 geschlossen.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt II gemäß der 4 wird das Matrixmaterial 5 zur Ausbildung des Grundkörpers 2 in die Hauptkammer 17 eingespritzt, wodurch die Fasermatte 7 in das Matrixmaterial 5 eingebettet wird. Während dieses Einspritzens ist die Teilkammer 19 bis auf einen Injektionskanal 29 weitgehend durch die Schieberelemente 21 geschlossen und das Matrixmaterial 5 wird durch den Injektionskanal 29 hindurch in die Hauptkammer 17 gespritzt. Nach Einspritzen des Matrixmaterials 5 werden die Schieberelemente 21 in die Aussparungen 22 verschwenkt, so dass die Teilkammer 19 freigegeben wird. Nach Freigabe der Teilkammer 19 wird in einem dritten Verfahrensschritt III (5) die mit Kurzfasern 9 verstärkte Kunststoffkomponente 8 zur Ausbildung des Doms 3 in die Teilkammer 19 eingespritzt. Um eine stabile Anbindung des Doms 3 an den Grundkörper 2 zu gewährleisten, ist das Matrixmaterial 5 zumindest am Übergangsbereich zwischen Hauptkammer 17 und Teilkammer 19 noch geschmolzen, wenn die mit Kurzfasern 9 verstärkte Kunststoffkomponente 8 in dem dritten Verfahrensschritt III in die Teilkammer 19 eingespritzt wird. Dadurch ist eine stoffschlüssige Vermischung des Matrixmaterials 5 mit der mit Kurzfasern 9 verstärkten Kunststoffkomponente 8 ermöglicht. Abschließend wird das Kunststoffbauteil 1 unter Wärme- und Druckeinwirkung ausgehärtet und dem Injektionswerkzeug 11 entnommen.
-
In der 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Kunststoffbauteils 1 gezeigt, bei dem im Vergleich zu der in den 1 bis 5 gezeigten Ausführung die geometrische Struktur als Rippe 3 ausgeführt ist. Die Rippe 3 bildet eine Materialverdickung, die zumindest mit einem Übermaß Δs von dem Grundkörper 2 abragt, wodurch das Kunststoffbauteil 1 im Bereich der Rippe 3 eine größere Materialstärke aufweist als außerhalb der Rippe 3.
-
Gemäß der 7 ist der Grundkörper 2 des Kunststoffbauteils 1 wie in dem in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem gepunktet angedeuteten Matrixmaterial 5 gefertigt, in dem eine Fasermatte 7 eingebettet ist. Die Rippe 3 ist aus einer ebenfalls gepunktet angedeuteten Kunststoffkomponente 8 gefertigt, die mit Kurzfasern 9 verstärkt ist.
-
In Abgrenzung zu den in den 3 bis 5 veranschaulichten Verfahrensschritten ist in der 8 ein in einem gängigen RTM-Verfahren hergestelltes Kunststoffbauteil 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Im Gegensatz zum dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird hier das in die Hauptkammer 17 eingespritzte Matrixmaterial 5 auch zur Füllung der Teilkammer 19 verwendet. Dadurch ist der als geometrische Struktur des Kunststoffbauteils 1 ausgebildete Dom 3 aus reinem Matrixmaterial 5 ausgebildet und weist eine vergleichsweise hohe Sprödigkeit auf, wodurch im Belastungsfall ein Sprödbruch-Risiko besteht. Der Dom 3 des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils ist aus der mit Kurzfasern 9 verstärkten Kunststoffkomponente 8 gefertigt, so dass die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Doms 3 deutlich verbessert sind.
-
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 102011012900 A1 [0002]
- DE 10342183 A1 [0003]
- WO 2011/023322 A1 [0004]
