DE102014007186B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem Reaktionsgießprozess - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem Reaktionsgießprozess,bei dem mindestens zwei reaktive thermoplastische Komponenten (A, B, C) in einem Hochdruckmischkopf (1) vermischt und das Gemisch anschließend vom Hochdruckmischkopf (1) in eine Kavität (2) eines Werkzeugs (3) eingespritzt wird,wobei in die Kavität (2) des Werkzeugs (3) vor dem Einspritzen des Gemisches ein Fasergelege eingelegt wird,wobei die reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) zunächst in einer Kreislaufzone (4, 5, 6) in flüssiger Form im Kreislauf über den Hochdruckmischkopf (1) gefahren werden,wobei die reaktiven Komponenten (A, B, C) anschließend über Düsen in eine Mischkammer (7) des Hochdruckmischkopfs (1) eingespritzt und vermischt werden,wobei das Gemisch aus der Mischkammer (7) ohne Kontakt zur Umgebungsatmosphäre in die Kavität (2) des Werkzeugs (3) strömt undwobei das Gemisch nach dem Einspritzen ausreagiert und aushärtet,dadurch gekennzeichnet, dasseine mittlere Oberflächentemperatur derjenigen Bauteile in der Kreislaufzone (4, 5, 6) des Hochdruckmischkopfes (1), mit denen die reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) in Kontakt stehen, auf einem Niveau liegt, das im Bereich zwischen einer Schmelztemperatur der reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) und einem Wert liegt, der 10 K höher als die Schmelztemperatur ist, wobei die mittlere Oberflächentemperatur der Wandungen der Kavität (2) des Werkzeugs (3) um mindestens 40 K über der mittleren Oberflächentemperatur der Bauteile in der Kreislaufzone (4, 5, 6) des Hochdruckmischkopfes (1) liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem Reaktionsgießprozess, bei dem mindestens zwei reaktive thermoplastische Komponenten, beispielswiese eine Caprolactam-Aktivator-Mischung sowie eine Caprolactam-Katalysator (Vernetzer)-Mischung, in einem Hochdruckmischkopf vermischt und das Gemisch anschließend vom Hochdruckmischkopf in die Kavität eines Werkzeugs eingespritzt wird, wobei in der Kavität des Werkzeugs vor dem Einspritzen des Gemisches ein Fasergelege eingelegt wird, wobei die reaktiven thermoplastischen Komponenten zunächst in einer Kreislaufzone in flüssiger Form im Kreislauf über den Hochdruckmischkopf gefahren werden, wobei die reaktiven Komponenten anschließend über Düsen in eine vorzugsweise zylindrische Mischkammer des Hochdruckmischkopfs eingespritzt und vermischt werden, wobei das Gemisch aus der Mischkammer ohne Kontakt zur Umgebungsatmosphäre - in Abgrenzung zu Prozessen mit offenem Eintrag, bei denen die thermische Entkopplung technisch kein Problem darstellt - in die Kavität des Werkzeugs strömt und wobei das Gemisch nach dem Einspritzen durch anionische Polymerisation ausreagiert und aushärtet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Die Herstellung von thermoplastischen endlosfaserverstärkten Kunststoffbauteilen (TP-FVK) erfolgt in der Regel durch die Umformung eines mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägnierten ebenen Halbzeugs (sogenannte Organobleche). Zur Verstärkung kommen hier Flächengebilde aus Glas, Kohlenstoff (Carbon), Aramid oder einer Mischform dieser Fasern zum Einsatz.
• Bei diesem Fertigungsverfahren wird das voll imprägnierte und konsolidierte Organoblech über seine Schmelztemperatur hinaus erwärmt, umgeformt, abgekühlt, das Bauteil entformt und seiner weiteren Bearbeitung zugeführt.
• Alternativ zu diesem Verfahren werden die Verstärkungsfasern trocken in das Werkzeug eingelegt und das Matrixmaterial in Form eines reaktiven Matrixsystems in das geschlossene Werkzeug injiziert.
• Diese Verfahren sind bereits seit längerem bekannt und werden in der Regel als In-situ- bzw. RIM-/RTM-Verfahren bezeichnet, bei denen größtenteils Duroplaste als Matrixsystem verwendet werden.
• Die generellen Vorteile der In-situ-Polymerisation von Matrixsystemen liegen im Vergleich zur Organoblechverarbeitung in einer deutlich höheren Flexibilität bzgl. Faservolumenanteil und Orientierung der Fasern sowie in der Abbildung sehr komplexer Geometrien. Dabei profitiert das Verfahren der In-situ-Polymerisation von der sehr niedrigen Viskosität des Materials während der Injektion.
• Generell kann die In-situ-Polymerisation sowohl mit thermoplastischen als auch mit duroplastischen Matrixsystemen durchgeführt werden. Signifikante Vorteile der In-situ-Polymerisation von thermoplastischen Matrixsystemen gegenüber den duroplastischen Matrixsystemen stellen die Recyclingfähigkeit, kürzere Aushärtungszeiten und die höhere Schlagzähigkeit gegenüber den Duroplasten und Epoxidharzen dar.
• Einen wesentlichen Vorteil der im In-situ-Verfahren verarbeiteten anionisch polymerisierten Polyamid-6-Systeme gegenüber den im klassischen Spritzgießverfahren verarbeiteten hydrolytisch polymerisierten Polyamid-6-Systeme (Granulate) stellen die besseren mechanischen Eigenschaften dieser Systeme dar. Und durch die Verwendung von Polyamid 6 als Matrixmaterial in thermoplastischen Faserverbundkunststoffen kann der Faserverbundkunststoff mit dem klassischen Spritzgießen kombiniert werden.
• Ein bekanntes Verfahren zur Verarbeitung solch reaktiver Thermoplaste im In-situ-Verfahren stellt das Aufschmelzen, Dosieren und Injizieren mittels Spritzaggregaten dar, welches in der AT 511 514 B1 beschrieben wird. Hier werden Caprolactam-Flakes und Aktivator in einem ersten und Caprolactam-Flakes und Katalysator in einem zweiten Schneckenzylinder aufgeschmolzen und beide Komponenten über einen Durchlaufmischer in ein Werkzeug injiziert.
• Ähnliche und andere Verfahren offenbaren die AT 309 064 B , die US 2011/0148000 A1 , die DE 23 61 452 A1 , DE 39 37 936 A1 , die DE 10 2009 037 131 A1 und die DE 10 2005 051 205 A1 .
• Der Nachteil dieses Verfahrens ist das eingeschränkte Dosiervolumen des Schneckenzylinders und die daraus resultierende Bauteilgröße sowie die Abdichtung der Rückstromsperre zwischen Plastifizierschnecke und dem Schneckenzylinder gegen das sehr niedrigviskose Medium. Des Weiteren verweilt das aufgeschmolzene Material zwischen den Einspritzvorgängen bei hoher Temperatur im Schneckenzylinder und im Mischorgan und wird dabei thermisch geschädigt. Da die Komponenten bei diesem Verfahren aus dem Stillstand dosiert werden, ist außerdem die Dosiergenauigkeit zu Schussbeginn problematisch.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen zu finden, bei dem insbesondere thermoplastische durch anionische Polymerisation polymerisierende Polyamid-6-Systeme zum Einsatz kommen, wobei hier die beschriebenen Probleme nicht auftreten. Ferner soll eine hierzu geeignete Vorrichtung vorgeschlagen werden. Dabei soll eine stabile Verarbeitung der reaktiven Komponenten sichergestellt werden.Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
• Die Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich verfahrensgemäß dadurch aus, dass die mittlere Oberflächentemperatur derjenigen Bauteile in der Kreislaufzone des Hochdruckmischkopfes, mit denen die reaktiven thermoplastischen Komponenten in Kontakt stehen, auf einem Niveau liegt, das im Bereich zwischen der Schmelztemperatur der jeweiligen reaktiven thermoplastischen Komponenten und einem Wert liegt, der 10 K höher als die Schmelztemperatur ist, wobei die mittlere Oberflächentemperatur der Wandungen der Kavität des Werkzeugs um mindestens 40 K über der mittleren Oberflächentemperatur der Bauteile in der Kreislaufzone des Hochdruckmischkopfes liegt.
• Die mittlere Oberflächentemperatur der Wandungen der Kavität des Werkzeugs liegt bevorzugt zwischen 130 °C und 200 °C.
• Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass eine solche thermische Isolation zwischen dem Hochdruckmischkopf und dem Werkzeug angeordnet wird, dass der spezifische Wärmestrom $$\dot{q}=\frac{\dot{Q}}{\left|\Delta T\right|}$$

  

  vom Werkzeug in die Reaktivkomponenten in der Kreislaufzone des Hochdruckmischkopfes weniger als 0,5 W/K beträgt,
  mit:
• Q̇ als dem absoluten Wärmestrom in W und
• ΔT als der Temperaturdifferenz zwischen der Werkzeugtemperatur und der mittlerer Medientemperatur in der Kreislaufzone des Hochdruckmischkopfes in K.
• Nach einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem zumindest teilweisen Ausreagieren und Aushärten des eingespritzten Gemisches ein Teil des Werkzeugs, insbesondere eine Werkzeughälfte, ersetzt, so dass sich an das Faserverbundbauteil anschließend eine im Volumen vergrößerte Kavität ergibt, wobei dann ein weiteres thermoplastisches Material in die Kavität eingespritzt wird.
• Bevorzugt ist eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten eine Caprolactam-Aktivator-Mischung und eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten eine Caprolactam-Katalysator(Vernetzer)-Mischung.
• Eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem Reaktionsgießprozess vor, bei dem mindestens drei reaktive thermoplastische Komponenten in einem Hochdruckmischkopf vermischt und das Gemisch anschließend vom Hochdruckmischkopf in die Kavität eines Werkzeugs eingespritzt wird, wobei in der Kavität des Werkzeugs vor dem Einspritzen des Gemisches ein Fasergelege eingelegt wird, wobei die reaktiven thermoplastischen Komponenten zunächst in einer Kreislaufzone in flüssiger Form im Kreislauf über den Hochdruckmischkopf gefahren werden, wobei die reaktiven Komponenten anschließend über Düsen in eine Mischkammer des Hochdruckmischkopfs eingespritzt und vermischt werden, wobei das Gemisch aus der Mischkammer ohne Kontakt zur Umgebungsatmosphäre in die Kavität des Werkzeugs strömt und wobei das Gemisch nach dem Einspritzen ausreagiert und aushärtet.
• Hierbei ist bevorzugt eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten Caprolactam, eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten enthält einen Aktivator und eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten enthält einen Katalysator, insbesondere einen Vernetzer.
• Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Hochdruckmischkopf und ein Werkzeug mit einer Kavität, wobei der Hochdruckmischkopf aufweist:
• - ein Mischkopfgehäuse, in das Kanäle eingearbeitet sind, durch die die Reaktivkomponenten während des Rezirkulierens strömen können,
• - einen Mischkopfauslauf, der einen Kanal aufweist, durch den das Gemisch im Schussbetrieb in die Kavität des Werkzeugs strömen kann, und
• - einen Stößel, der in den Kanal einfahren kann und mit dem der Kanal nach Schussende mechanisch gereinigt werden kann,
wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass
• - zwischen dem Hochdruckmischkopf und dem Werkzeug und/oder
• - zwischen dem Mischkopfgehäuse und dem Mischkopfauslauf und/oder
• - zwischen dem Mischkopfauslauf und dem Werkzeug
eine thermisch isolierende Buchse aus einem Material angeordnet ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als $20\frac{W}{m\cdot K},$

bevorzugt von weniger als $10\frac{W}{m\cdot K},$

aufweist.
• Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise keramische Werkstoffe mit entsprechender geringer Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Zirkonoxid.
• Dabei erstreckt sich weiterbildungsgemäß die Buchse zumindest teilweise in das Werkzeug hinein.
• Die vorgeschlagene Lösung besteht also in einem Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundkunststoff-Bauteilen mittels einer Rezirkulationsdosiermaschine und einem Hochdruckmischkopf, bei dem mindestens zwei reaktive thermoplastische Komponenten vermischt und das Gemisch anschließend in ein Werkzeug, in dem ein Fasergelege eingelegt ist, injiziert wird, wobei das Gemisch schließlich durch anionische Polymerisation ausreagiert und aushärtet. Der vorgeschlagene Prozess wird so geführt, dass die mittlere Oberflächentemperatur der in der Kreislaufzone mit den Komponenten in Kontakt stehenden Oberflächen im Mischkopf deutlich niedriger ist als die mittlere Oberflächentemperatur in der Werkzeugkavität, wobei die mittlere Oberflächentemperatur in der Kreislaufzone knapp oberhalb der Schmelztemperatur der Reaktivkomponenten liegt.
• Hierbei wird das polymere Vorprodukt Caprolactam (C) bevorzugt auf zwei voneinander getrennte Dosierlinien mit zugehörigen Vorratsbehältern aufgeteilt, wenige Grad über Schmelztemperatur erwärmt und in flüssiger Form bevorratet. Je nach benötigter Reaktivität wird dem einen Vorratsbehälter ein Aktivator (A) und dem anderen Vorratsbehälter ein Katalysator (K) zugegeben, wodurch nun in einem Vorratsbehälter ein Gemisch aus Caprolactam und Aktivator (CA) und im zweiten Vorratsbehälter ein Gemisch aus Caprolactam und Katalysator (CK) in verflüssigter Form bevorratet wird.
• Zur Fertigung eines (faserverstärkten) Bauteils aus reaktivem Thermoplast werden die so bevorrateten Gemische CA und CK nun mit einem Mischorgan homogen vermengt und einem Werkzeug, welches auf die für die Polymerisation notwendige Temperatur (150 bis 160 °C) temperiert ist, zugeführt. Hierbei sind die exakte Temperaturführung sowie die exakte Einhaltung des Mischungsverhältnisses von größter Bedeutung. Dieses kann insbesondere zu Schussbeginn wesentlich besser eingehalten werden, wenn die Komponenten zuvor über den Mischkopf in der gewünschten Menge rezirkulieren, als wenn die Dosierung quasi aus dem Stand erfolgen muss.
• Zu beachten ist auch, dass die Reaktivkomponenten äußerst temperaturempfindlich sind. Einerseits müssen sie oberhalb ihrer Schmelztemperatur bevorratet und dosiert werden, andererseits nimmt die Langzeitstabilität der Mischungen mit jedem zusätzlichen Grad ab, so dass auch während der Bevorratung und während der Rezirkulation eine sehr exakte Temperaturführung sehr wichtig ist. Dabei sollten sich die Reaktivkomponenten auch in Stillstandzeiten nicht auf Temperaturen deutlich über der Schmelztemperatur erwärmen.
• Deshalb wird der Prozess erfindungsgemäß so geführt, dass die Medientemperatur der Reaktivkomponenten in der gesamten Zeit, in der sie in der Maschine bevorratet und rezirkuliert werden, immer möglichst knapp oberhalb der Schmelztemperatur liegt, damit sie einerseits pumpfähig und andererseits möglichst langzeitstabil bleiben. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens liegt die mittlere Oberflächentemperatur der in der Kreislaufzone mit den Komponenten in Kontakt stehenden Oberflächen im Mischkopf daher maximal 10 °C (K) oberhalb der Schmelztemperatur der Reaktivkomponenten.
• Andererseits benötigt die Reaktion der Reaktivkomponenten jedoch eine deutlich höhere Temperatur. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens liegt deshalb die mittlere Oberflächentemperatur der in der Kreislaufzone mit den Komponenten in Kontakt stehenden Oberflächen im Mischkopf um mindestens 40 °C (K) unterhalb der mittleren Oberflächentemperatur in der Werkzeugkavität. Die mittlere Oberflächentemperatur in der Werkzeugkavität liegt bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 130 °C und 200 °C.
• Besonders gut realisieren lässt sich das Verfahren, wenn die Oberflächen in der Werkzeugkavität von den Oberflächen der in der Kreislaufzone mit den Reaktivkomponenten im Mischkopf in Kontakt stehenden Oberflächen thermisch so gut voneinander entkoppelt sind, dass der spezifische Wärmestrom $\dot{q}=\frac{\dot{Q}}{\left|\Delta T\right|}$

  

  vom Werkzeug in die Reaktivkomponenten in der Kreislaufzone des Mischkopfes weniger als 0,5 W/K beträgt, wobei Q̇ den Wärmestrom von der Kavität in die Reaktivkomponenten und wobei ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Werkzeugtemperatur und mittlerer Medientemperatur in der Kreislaufzone darstellt.
• Zur Realisierung einer optimalen und homogenen Temperaturführung sind weiterhin alle medienführenden Komponenten der Dosiermaschine temperiert bzw. isoliert, wodurch die beiden Reaktionskomponenten optimal konditioniert vorliegen und vermischt werden können.
• Um zu Beginn des Injektionsvorgangs schon alle Parameter für eine optimale Vermischung und Polymerisierung vorliegen zu haben, rezirkulieren die beiden Komponenten bereits vor dem Injektionsvorgang mit den eingestellten Temperaturen, Drücken und Austragsleistungen über den Mischkopf. Hierfür wird die Dosierpumpe mit der flüssig bevorrateten Komponente aus dem Vorratsbehälter versorgt und fördert diese dann kontinuierlich über die Vorlaufleitungen und einen Durchflussmesser durch das Mischorgan über Rücklaufleitungen zurück in den Vorratsbehälter.
• Als Mischkopf kommt hier bevorzugt ein selbstreinigender Hochdruckmischkopf zum Einsatz. Dieser Hochdruckmischkopf arbeitet nach dem Gegenstromverfahren. Das heißt, dass die benötigte Mischenergie zur homogenen Vermischung der Komponenten ausschließlich durch die in einem bestimmten Winkel und unter einer bestimmten Geschwindigkeit aufeinandertreffenden Komponentenstrahlen in einer Mischkammer erfolgt und kein zusätzliches dynamisches oder statisches Mischelement benötigt wird. Die nach dem Injektionsvorgang mit reaktivem Gemisch benetzte Mischkammer und das Auslaufsystem des Mischkopfes werden dann im Anschluss an den Injektionsvorgang mittels eines hydraulisch betätigten Reinigungsstößels gereinigt. Hierdurch entfällt das Spülen des Mischkopfes mittels Reinigungsmittel, wodurch dieser bestens für den Einsatz in einer Mittel-bzw. Großserienproduktion geeignet ist.
• Das Umschalten von der Kreislaufphase in die Schussphase wird in der heute üblichen Hochdruckmischtechnik von Reaktivkomponenten üblicherweise durch einen zylindrisch ausgeformten Steuerschieber bewerkstelligt. In der Kreislaufphase strömen die Komponenten durch in den Steuerschieber eingearbeitete Nuten aus der Vorlaufleitung zurück in die Rücklaufleitung. Zu Schussbeginn wird der Steuerscheiber dann axial bewegt und verbindet dabei die Vorlaufleitung fluidisch mit der Mischkammer, während der Weg in die Rücklaufleitung gleichzeitig versperrt wird. Dadurch erreicht man bereits unmittelbar zu Schussbeginn eine optimale Dosierung der beiden Reaktivkomponenten.
• Eine gewisse Problematik dieses Prinzips besteht darin, dass das Material hierbei auch in der Rezirkulationsphase über den Düsenspalt strömt, wodurch Wärmeenergie in die Reaktivkomponenten eingebracht wird. Vorteilhaft ist deshalb ein düsengesteuerter Mischkopf, bei dem das Umschalten von Schuss- in Rezirkulationsbetrieb nicht durch einen Steuerschieber, sondern durch geschaltete Düsen vollzogen wird. Das Prinzip derartiger Mischköpfe ist bekannt und beispielswiese in Band 7 des Kunststoff-Handbuchs aus dem Carl Hanser Verlag, 2. Auflage (ISBN 3-446-13614-2) auf Seite 158 (Bild 4.58) dargestellt.
• Derartige Mischköpfe können problemlos auch als Mehrkomponenten-Mischköpfe ausgeführt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Gemische aus Caprolactam und Aktivator sowie aus Caprolactam und Katalysator wieder aufzuteilen, beispielsweise in die Einzelkomponenten Caprolactam, Aktivator und Katalysator. Das reine Caprolactam, welches als größter Mengenanteil eingesetzt wird, ist nicht temperaturempfindlich. Temperaturempfindlich sind nur die Komponenten Aktivator und Katalysator bzw. diese in Verbindung mit dem Caprolactam. Durch das Aufteilen der Einzelkomponenten kann die Temperaturempfindlichkeit deutlich reduziert bzw. auf die in wesentlich geringeren Mengen beteiligten Komponenten beschränkt werden. Es wird daher eine bevorzugte Ausgestaltung des Prozesses vorgeschlagen, bei der eine mindestens drei-komponentige Rezirkulationsmaschine mit einem mindestens drei-komponentigen Mischkopf verwendet wird.
• Zur Realisierung eines mittel- bzw. großserientauglichen Prozesses mit reduzierten Zykluszeiten, reduzierten Ausschussquoten, reduziertem Maschinenequipment und Aufstellflächen, einem hohen Automatisierungsgrad etc. bedarf es neben der Injektion über eine solche Dosiermaschine mit einem selbstreinigenden Mischkopf einer sinnvollen Kombination von Fertigungsverfahren.
• Die effektivste Verschmelzung von Fertigungsverfahren stellt hierbei eine Kombination von einem Spritzgieß- und einem RIM-/RTM-/In-situ-Prozess mittels einer Hochdruckdosieranlage dar.
• Hiermit können durch die Injektion und Polymerisation eines reaktiven Matrixsystems und einem vorzugsweise textilen Flächengebildes, welches zuvor trocken in das Werkzeug eingelegt wurde, zunächst faserverstärkte Kunststoffbauteile bzw. Halbzeuge gefertigt werden. Mittels eines in derselben Maschine und in demselben Werkzeug folgenden Spritzgießprozesses können dann aus den Halbzeugen formfallende Bauteile gefertigt bzw. die zuvor reaktiv gefertigten Bauteile durch Anspritzen von z. B. Verrippungen, Anschraubdomen, Rahmen etc. vervollständigt und endkonturnah entnommen werden. Somit ist es möglich, die Vorteile der beiden Fertigungsverfahren optimal zu kombinieren und produktionssicher abzubilden.
• Die wesentlichen Vorteile sind hier ein hoher Automatisierungsgrad, kurze Zykluszeiten, eine reproduzierbare und sichere Verarbeitungstechnik, hohe Designfreiheit, die Fertigung endkonturnaher FVK-Bauteile, die Integration zusätzlicher Funktionen, die Realisierung langer Fließwege auch bei dünnen Bauteilen, eine sehr gute Faserbenetzung und eine exakte Abbildung der Werkzeugoberfläche.
• Zur Fertigung von FVK-Bauteilen mittels reaktiven Matrixsystemen bedarf es eines intelligenten Werkzeugkonzepts.
• Zur Realisierung guter Oberflächen, einer bestmöglicher Benetzung der Fasern, einer lufteinschlussfreien Vernetzung, einer optimalen Polymerisation und einer exakten Maßhaltigkeit der Bauteile ist in Versuchen vor allem die Aufrechterhaltung eines definierten Forminnendruckes bis zur vollständigen Erstarrung der Reaktionskomponenten als maßgeblicher Parameter ermittelt worden.
• Ein Grund hierfür ist, dass es während der Polymerisation zu einer Volumenschwindung kommt. Hierbei erhöht sich die Dichte ausgehend vom ε-Caprolactam mit ca. 1,0 g/cm³ nach der Polymerisation zum PA 6 auf 1,15 g/cm³. Hierdurch kommt es zu Beginn der Polymerisierung zu Materialablösungen von der Werkzeugwand und somit zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs von Werkzeugwand in das Formteil und nach fortgeschrittener Polymerisation zu einer Verschlechterung der Ableitung exothermer Wärme aus dem Polymerisat in die Werkzeugwand. Dies führt dann zu einer deutlichen Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit und einer entsprechend schlechten Oberflächenqualität.
• Der benötigte „Nachdruck“ kann über den Stößel des Mischkopfes und das im Auslaufrohr befindliche Volumen, welches dann nach kompletter Füllung des Werkzeugs geregelt „nachgeschoben“ wird, aufgebracht werden.
• In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
• 1 teilweise nur schematisch dargestellt einen Hochdruckmischkopf, der ein Werkzeug mit einem Gemisch versorgt, wobei der Hochdruckmischkopf mit Vorratsbehältern für die Gemischkomponenten in Verbindung steht,
• 2 in der Darstellung nach 1 eine etwas anders ausgestaltete Anordnung und
• 3 in schematischer Darstellung den Hochdruckmischkopf samt Werkzeug, wobei der Hochdruckmischkopf mit Vorratsbehältern für drei Gemischkomponenten in Verbindung steht.
• In 1 ist ein Hochdruckmischkopf 1 zu sehen, über den ein Gemisch aus den beiden reaktiven thermoplastischen Komponenten A und B in ein Werkzeug 3 mit einer Kavität 2 eingebracht wird. Der Hochdruckmischkopf 1 weist ein Mischkopfgehäuse 9 mit einem Mischkopfauslauf 10 auf. Im Mischkopf 1 ist eine Mischkammer 7 vorhanden, in der die Komponenten A und B vermischt werden. Weiterhin sind in 1 Vorratsbehälter 11 und 12 für die Komponenten A und B zu erkennen, wobei die jeweiligen Komponenten über Dosierpumpen 14 und 15 und Rohrleitungen 17 und 18 gefördert werden.
• Zwischen dem Mischkopfauslauf 10 und dem Mischkopfgehäuse 9 ist eine thermische Isolation 8 in Form einer Buchse eingebaut, die aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit besteht, vorliegend aus Zirkonoxid. Dadurch wird der Wärmefluss zwischen der wärmeren Werkzeugkavität 2 und dem Bereich, in dem die Medien durch den Mischkopf 1 rezirkulieren, reduziert. Besagte Kreislaufzonen sind mit 4 und 5 markiert. Dadurch ist eine sehr exakte Temperaturführung der Medien A, B während des Rezirkulierens durch den Mischkopf 1 möglich.
• In 2 ist die Buchse 8 zwischen der Werkzeugkavität 2 und dem Mischkopfauslauf 10 positioniert. Auch dadurch kann der Wärmefluss zwischen der wärmeren Werkzeugkavität 2 und dem Bereich, in dem die Medien durch den Mischkopf 1 rezirkulieren, reduziert werden.
• Denkbar ist natürlich auch der Einbau einer Buchse 8 zwischen dem Mischkopfgehäuse 9 und dem Mischkopfauslauf 10 (wie in 1 dargestellt) und der zusätzliche Einbau einer Buchse 8 zwischen der Werkezugkavität 2 und dem Mischkopfauslauf 10.
• In 3 ist eine dritte Dosier- und Rezirkulationslinie für eine Komponente C dargestellt. Schematisch dargestellt sind hier die Vorratsbehälter 11, 12 und 13, die Pumpen 14, 15 und 16 und die Leitungen 17, 18 und 19. Der Mischkopf 1 und das Werkzeug 3 sind hier nur sehr schematisch dargestellt. die Kreislaufzonen sind mit 4, 5 und 6 angedeutet.
• Die dritte Dosierlinie ermöglicht jeweils eine Einzeldosierung des Caprolactams, der Aktivators und des Katalysators. Natürlich können der Aktivator und der Katalysator auch jeweils mit Caprolactam verdünnt werden.
• Da das Caprolactam selbst nicht so temperaturempfindlich reagiert wie der Aktivator und der Katalysator bzw. wie Mischungen aus Caprolactam und Aktivator oder aus Caprolactam und Katalysator, sind bei diesem Verfahren mit drei Dosierlinien-Fahrweise wesentlich geringere Mengen bei falscher Temperaturführung gefährdet als bei dem Verfahren mit lediglich zwei Dosierlinien.
• Bezugszeichenliste

1

Hochdruckmischkopf

2

Kavität

3

Werkzeug

4

Kreislaufzone

5

Kreislaufzone

6

Kreislaufzone

7

Mischkammer

8

thermische Isolation (Buchse)

9

Mischkopfgehäuse

10

Mischkopfauslauf

11

Vorratsbehälter

12

Vorratsbehälter

13

Vorratsbehälter

14

Dosierpumpe

15

Dosierpumpe

16

Dosierpumpe

17

Rohrleitung

18

Rohrleitung

19

Rohrleitung

A

reaktive thermoplastische Komponente

B

reaktive thermoplastische Komponente

C

reaktive thermoplastische Komponente

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem Reaktionsgießprozess, bei dem mindestens zwei reaktive thermoplastische Komponenten (A, B, C) in einem Hochdruckmischkopf (1) vermischt und das Gemisch anschließend vom Hochdruckmischkopf (1) in eine Kavität (2) eines Werkzeugs (3) eingespritzt wird, wobei in die Kavität (2) des Werkzeugs (3) vor dem Einspritzen des Gemisches ein Fasergelege eingelegt wird, wobei die reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) zunächst in einer Kreislaufzone (4, 5, 6) in flüssiger Form im Kreislauf über den Hochdruckmischkopf (1) gefahren werden, wobei die reaktiven Komponenten (A, B, C) anschließend über Düsen in eine Mischkammer (7) des Hochdruckmischkopfs (1) eingespritzt und vermischt werden, wobei das Gemisch aus der Mischkammer (7) ohne Kontakt zur Umgebungsatmosphäre in die Kavität (2) des Werkzeugs (3) strömt und wobei das Gemisch nach dem Einspritzen ausreagiert und aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Oberflächentemperatur derjenigen Bauteile in der Kreislaufzone (4, 5, 6) des Hochdruckmischkopfes (1), mit denen die reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) in Kontakt stehen, auf einem Niveau liegt, das im Bereich zwischen einer Schmelztemperatur der reaktiven thermoplastischen Komponenten (A, B, C) und einem Wert liegt, der 10 K höher als die Schmelztemperatur ist, wobei die mittlere Oberflächentemperatur der Wandungen der Kavität (2) des Werkzeugs (3) um mindestens 40 K über der mittleren Oberflächentemperatur der Bauteile in der Kreislaufzone (4, 5, 6) des Hochdruckmischkopfes (1) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Oberflächentemperatur der Wandungen der Kavität (2) des Werkzeugs (3) zwischen 130 °C und 200 °C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche thermische Isolation (8) zwischen dem Hochdruckmischkopf (1) und dem Werkzeug (3) angeordnet wird, dass der spezifische Wärmestrom $$\dot{q}=\frac{\dot{Q}}{\left|\Delta T\right|}$$

   

   vom Werkzeug (3) in die Reaktivkomponenten (A, B, C) in der Kreislaufzone (4, 5, 6) des Hochdruckmischkopfes (1) weniger als 0,5 W/K beträgt, mit: Q̇ als dem absoluten Wärmestrom in W und ΔT als der Temperaturdifferenz zwischen der Werkzeugtemperatur und der mittlerer Medientemperatur in der Kreislaufzone des Hochdruckmischkopfes in K.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zumindest teilweisen Ausreagieren und Aushärten des eingespritzten Gemisches ein Teil des Werkzeugs (3), insbesondere eine Werkzeughälfte, ersetzt wird, so dass sich an das Faserverbundbauteil anschließend eine im Volumen vergrößerte Kavität (2) ergibt, wobei dann ein weiteres thermoplastisches Material in die Kavität (2) eingespritzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten (A) eine Caprolactam-Aktivator-Mischung ist und dass eine der reaktiven thermoplastischen Komponenten (B) eine Caprolactam-Katalysator(Vernetzer)-Mischung ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Hochdruckmischkopf (1) und ein Werkzeug (3) mit einer Kavität (2), wobei der Hochdruckmischkopf (1) aufweist: - ein Mischkopfgehäuse (9), in das Kanäle eingearbeitet sind, durch die die Reaktivkomponenten (A, B, C) während des Rezirkulierens strömen können, - einen Mischkopfauslauf (10), der einen Kanal aufweist, durch den das Gemisch im Schussbetrieb in die Kavität (2) des Werkzeugs (3) strömen kann, - einen Stößel, der in den Kanal einfahren kann und mit dem der Kanal nach Schussende mechanisch gereinigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckmischkopf (1) und dem Werkzeug (3) und/oder zwischen dem Mischkopfgehäuse (9) und dem Mischkopfauslauf (10) und/oder zwischen dem Mischkopfauslauf (10) und dem Werkzeug (3) eine thermisch isolierende Buchse (8) aus einem Material angeordnet ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als $20\frac{W}{m\cdot K},$

   

   bevorzugt von weniger als $10\frac{W}{m\cdot K},$

   

   aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Buchse (8) zumindest teilweise in das Werkzeug (3) hinein erstreckt.

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