DE102014010271A1 - Injection molded foamed thermoplastic lightweight construction - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine spritzgegossene Leichtbaustruktur aus thermoplastischem Kunststoff, die aus einer ungeschäumten kompakten Hautschicht und einem geschäumten Kernschicht besteht und die eine gekrümmte Sicke aufweist.The invention relates to an injection-molded lightweight construction structure made of thermoplastic material, which consists of a non-foamed compact skin layer and a foamed core layer and having a curved bead.
Description
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet des Leichtbaus. In der Kunststoffverarbeitenden Industrie besteht in Bezug auf Leichtbau die bedeutende Forderung in der Nutzung von strukturoptimierten Bauteilen mit gleichzeitiger Gewichtseinsparung, hoher Biegesteifigkeit und optimaler mechanischer Festigkeit.The invention relates to the technical field of lightweight construction. In the plastics processing industry, there is a significant demand for lightweight construction in the use of structure-optimized components with simultaneous weight savings, high flexural rigidity and optimum mechanical strength.
Diese Aufgabe wird durch einen spritzgegossenen geschäumten Verstärkungskörper aus Kunststoff nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche. Insbesondere bildet dieses erfindungsgemäße Leichtbauteil eine Struktur mit einer äußeren kompakten Hautschicht und einer inneren geschäumten Kernschicht aus, die durch ihre besondere Geometrie eine erhöhte gewichtsbezogene Biegesteifigkeit erzeugt.This object is achieved by an injection-molded foamed reinforcing body made of plastic according to
Um Leichtbaulösungen zu realisieren, ist es in der Kunststoffverarbeitenden Industrie gängige Praxis, flächige tragende Bauteile durch Verrippung zu versteifen und dabei das Bauteilgewicht beizubehalten oder zu reduzieren.In order to realize lightweight solutions, it is common practice in the plastics processing industry to stiffen surface load-bearing components by ribbing while maintaining or reducing the component weight.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Leichtbaulösungen mit folgenden Mitteln erreicht werden können: Werkstoffleichtbau, konstruktiver Leichtbau, Systemleichtbau und Fertigungsverfahren. Wie aus dem Referenzwerk „Leichtbau: Elemente und Konstruktion” von Johannes Wiedermann zu entnehmen ist, werden Bauteilen durch ihre äußeren Form und ihre Bauteilgeometrie charakterisiert:
- – Differentialbauweise (Einzelteile punktuell verbunden); beispielweise Haut + Stringer + Rippen in klassischem Blechbau, verbunden durch Nieten, Bolzen oder Punkten.
- – Integralbauweise (aus einem Stück geformtes Bauteil); beispielweise Platte oder Schale mit herausgefrästen Stegen und Rippen zur Kräfteeinleitung oder zur Biegesteifigkeitserhöhung.
- – Integrierende Bauweise (zu organischer Einheit verbundene Einzelelemente); beispielweise Haut mit aufgeklebten Stringern oder Verstärkungen, aus Blechlamellen aufgebaute Trägerprofile.
- – Verbundbauweise (verschiedene Materialien nach ihren spezifischen Eigenschaften zweckvoll kombiniert); beispielweise Sandwichplatte mit steifen Blechhäuten und Schaumstoff- oder Wabenkern mit hohem spezifischen Volumen; oder durch Glasfasern, Kohle- oder Aramidfasern verstärkte Kunststoffe.
- - Differential construction (individual parts connected punctually); For example, skin + stringer + ribs in classic sheet metal construction, connected by rivets, bolts or points.
- - Integral construction (one-piece molded component); For example, plate or shell with milled ridges and ribs for force introduction or bending stiffness increase.
- - Integrative design (individual elements connected to organic unity); For example, skin with glued-on stringers or reinforcements, carrier profiles constructed from laminations.
- - composite construction (various materials purposefully combined according to their specific properties); for example sandwich panel with rigid metal skins and foam or honeycomb core with high specific volume; or plastics reinforced by glass fibers, carbon or aramid fibers.
Als gängigste Geometrievariante für tragende Bauteile hat sich in der kunststoffverarbeitenden Industrie die Kreuzverrippung durchgesetzt. Diese konventionelle Kreuzverrippung ist für das Spritzgießen von kompakten thermoplastischen Formmassen ausgelegt. Sie hat die Fähigkeit, unterschiedliche in der Praxis häufig auftretende Lastfälle aufnehmen zu können wie bevorzugt den Lastfall Biegung, aber auch Zug und Torsion.As the most common geometry variant for load-bearing components, the cross-ribbing has prevailed in the plastics processing industry. This conventional cross ribbing is designed for injection molding of compact thermoplastic molding compounds. It has the ability to record different load cases that frequently occur in practice, as well as the load case bending, but also train and torsion.
Aus der Patentschrift
Aus der Patentschrift
Bei diesen Varianten des Stands der Technik bestehen wesentliche Mängel. Insbesondere stellen die bekannten geschäumten thermoplastischen Formmassen keine spezielle Geometrie dar, die die Anforderungen der Biegebelastung erfüllt. Beim Thermoplast-Schaumspritzgiessen (TSG) können typische Oberflächenproblemen auftreten, die durch das Verfahren verursacht werden. Es ist tatsächlich so, dass je niedriger die Schaumdichte ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Gasblasen die Oberfläche des Bauteils durchdringen und als Schlieren sichtbar werden. Eine andere häufige Fehlerursache ist das Nachblähen des Treibmittels, das zu Abweichungen der Maßhaltigkeit des Bauteils führen kann.In these variants of the prior art, there are significant shortcomings. In particular, the known foamed thermoplastic molding compositions do not constitute a special geometry that meets the requirements of the bending load. Thermoplastic foam injection molding (TSG) can cause typical surface problems caused by the process. In fact, the lower the foam density, the higher the likelihood that the gas bubbles will penetrate the surface of the component and become visible as streaks. Another common cause of failure is the re-blowing of the propellant, which can lead to deviations in the dimensional accuracy of the component.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese genannten Probleme zu lösen sowie die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit von Leichtbauteilen aus Kunststoff zu verbessern. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Alternativgestaltung mit erhöhten mechanischen Eigenschaften vorzuschlagen. Ziel der Erfindung ist die Gestaltung von Ieichtbauoptimierten biegesteifen Formteilen insbesondere von flächigen tragenden verrippten Formteilen mit Schaum auf Basis von Thermoplast, die durch einen Spritzgussverfahren hergestellt werden können.It is the object of the present invention to solve these problems as well as to improve the weight-related bending stiffness of lightweight plastic components. The present invention provides The task of proposing an alternative design with increased mechanical properties. The aim of the invention is the design of lightweight-optimized rigid moldings, in particular of flat load-bearing ribbed molded parts with foam based on thermoplastic, which can be produced by an injection molding process.
Um die Leichtbaustruktur gemäß der Erfindung zu bemessen wurden die folgenden allgemeinen Konstruktionsrichtlinien berücksichtigt:
- – bei Leichtbauteilen mit tragender Funktion orientiert sich der Leichtbaueffekt an der Zielgröße einer maximalen spezifischen gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit. Für die Aufnahme der Biegekräfte eines Sandwichaufbaus ist die Steifigkeit der am weitesten von der neutralen Achse entfernten Schichten vorrangig. Je weiter die Schichten sich der neutralen Achse nähern, desto weniger Festigkeit ist erforderlich. Im Sinne des Leichtbaus (d. h. gleiche Biegesteifigkeit bei weniger Gewicht) muss nahe der neutralen Achse vorrangig an Gewicht eingespart werden. Dies wird durch möglichst leichte Schäume im Inneren der Leichtbaustruktur erreicht. Die erfindungsgemäße Gestaltung fördert durch eine höhere Wanddicke das optimale Verschäumen eines Thermoplasts, was eine minimal erreichbare Dichte im Formteilinneren ermöglicht;
- – günstig im Sinne einer leichtbauoptimierten Gestaltung ist die Einbringung von hochfestem Material möglichst weit entfernt von der neutralen Achse des Formteils. Das hochfeste Material sollte die äußere Schicht des Formteils bilden. Zu diesem Zweck ist im Gegensatz zur konventionellen Kreuzverrippung die Geometrie der Schaumverrippung rechteckig ausgebildet. Erfindungsgemäß wird die äußere Schicht von Sicken bzw. Noppen durchbrochen, damit sich – bedingt durch die größere Oberfläche – noch mehr hochfestes Material fern der neutralen Faser anlagert. Die Dicke der thermoplastischen Hautschicht, die sich an der Kavitätswand ausbildet, steigt durch diese geometrische Gestaltung an.
- - For lightweight components with load-bearing function, the lightweight effect is based on the target size of a maximum specific weight-related bending stiffness. In order to absorb the bending forces of a sandwich construction, the rigidity of the layers farthest from the neutral axis is paramount. The further the layers approach the neutral axis, the less strength is required. In terms of lightweight construction (ie equal flexural rigidity with less weight), weight must be prioritized near the neutral axis. This is achieved by the lightest possible foams inside the lightweight structure. The inventive design promotes the optimal foaming of a thermoplastic by a higher wall thickness, which allows a minimum achievable density in the molding interior;
- - Favorable in terms of lightweight design, the introduction of high-strength material as far as possible from the neutral axis of the molding. The high strength material should form the outer layer of the molding. For this purpose, in contrast to the conventional cross ribbing, the geometry of the foam ribbing is rectangular. According to the invention, the outer layer of beads or nubs is broken, so that - due to the larger surface - even more high-strength material attaches far away from the neutral fiber. The thickness of the thermoplastic skin layer, which forms on the cavity wall, increases by this geometric design.
Angesicht dieser Konstruktionsregeln, sieht die vorliegende Erfindung eine Leichtbaustruktur aus thermoplastischem Kunststoff vor, die aus einer ungeschäumten kompakten Hautschicht und einem geschäumten Kernbereich besteht. Im Folgenden wird dieser Kernbereich „Kernschicht” genannt. Der geschäumte Thermoplast der Kernschicht ist kompatibel zur Hautschicht. Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur wird im Spritzgießverfahren hergestellt, das ein Einkomponenten- sowie ein Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren sein kann. Die Leichtbaustruktur ist eine Rippe, die geradlinig oder krumm ist und deren Querschnitt ein konvexes Viereck ist, vorzugsweise ein gleichschenkliges Trapez. In der Mitte der kurzen Grundlinie des trapezförmigen Querschnitts und senkrecht zu ihr, befindet sich über der Länge der Rippe in deren Längsrichtung eine rinnenartige Vertiefung, im Folgenden „Sicke” genannt. Die Form dieser Sicke ist gekrümmt, vorzugsweise U-förmig. Im Vergleich mit der kurzen Grundlinie des trapezförmigen Querschnitts beträgt die Breite der Sicke 10 bis 50%, vorzugsweise 20%. Die Tiefe der Sicke beträgt zwischen der Hälfte und dem Doppelten der Sickenbreite, vorzugsweise ist gleich der Sickenbreite. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der ungeschäumten Hautschicht zur Querschnittsfläche der geschäumten Kernschicht ist zwischen 0,20 und 0,66 begrenzt und beträgt vorzugsweise 0,4. Die Dichte der geschäumten Kernschicht im Vergleich mit der Dichte der Hautschicht ist um weniger als ein Drittel niedriger, vorzugsweise weniger als die Hälfte. Folglich und abhängig vom verwendeten Thermoplast, beträgt die Dichte der Kernschicht 0,01 bis 0,7 g/cm3, vorzugsweise 0,5 g/cm3 und die Dichte der Hautschicht 10 bis 0,5 g/cm3.In view of these design rules, the present invention provides a lightweight structure of thermoplastic material consisting of a non-foamed compact skin layer and a foamed core region. In the following, this core area is called "core layer". The foamed thermoplastic of the core layer is compatible with the skin layer. The lightweight construction according to the invention is produced by injection molding, which may be a one-component as well as a two-component sandwich injection molding process. The lightweight structure is a rib that is rectilinear or curved and whose cross-section is a convex quadrilateral, preferably an isosceles trapezoid. In the middle of the short baseline of the trapezoidal cross-section and perpendicular to it, located over the length of the rib in the longitudinal direction of a groove-like depression, hereinafter referred to as "bead". The shape of this bead is curved, preferably U-shaped. In comparison with the short baseline of the trapezoidal cross section, the width of the bead is 10 to 50%, preferably 20%. The depth of the bead is between half and twice the bead width, preferably equal to the bead width. The ratio of the cross-sectional area of the unfoamed skin layer to the cross-sectional area of the foamed core layer is limited to between 0.20 and 0.66, and is preferably 0.4. The density of the foamed core layer in comparison with the density of the skin layer is lower by less than a third, preferably less than half. Consequently, depending on the thermoplastic used, the density of the core layer is 0.01 to 0.7 g / cm 3 , preferably 0.5 g / cm 3, and the density of the skin layer is 10 to 0.5 g / cm 3 .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leichtbaustruktur mit einer Verstärkungsschicht aus uni- oder bidirektional verstärktem vorkonsolidiertem Halbzeug versehen. Im Folgenden wird diese Verstärkungsschicht „Deckschicht” genannt. In diesem Fall liegt diese Deckschicht auf der Fläche der Rippe, die zu der Sicke entgegengesetzt ist. Das Material der Deckschicht kann ein Halbzeug aus Organoblech, unidirektionalen Tapes, Gewebe oder eine Folie auf Basis Glas-, Kohle-, Textilfaser oder Metall sein, vorzugsweise auf Basis Glasfaser, das mit einer zum Hautmaterial kompatiblen Polymermatrix vorimprägniert ist. Die Dicke dieser Deckschicht beträgt von 0,05 bis 5 mm. Mehrere Leichtbaustrukturen können durch eine gemeinsame flächige Deckschicht miteinander verbunden sein.In one embodiment of the invention, the lightweight structure is provided with a reinforcing layer of unidirectionally or bidirectionally reinforced preconsolidated semifinished product. Hereinafter, this reinforcing layer will be called "cover layer". In this case, this cover layer lies on the surface of the rib which is opposite to the bead. The material of the cover layer may be a semifinished product made of organic sheet, unidirectional tapes, woven fabric or a film based glass, carbon, textile fiber or metal, preferably based on glass fiber, which is pre-impregnated with a polymer material compatible to the skin material matrix. The thickness of this cover layer is from 0.05 to 5 mm. Several lightweight structures can be interconnected by a common flat cover layer.
Die resultierenden vorteilhaften Wirkungen der Erfindung sind, dass bei gleicher mechanischer Leistungsfähigkeit die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur leichter als die konventionellen Leichtbaustrukturen des Stands der Technik ist und sich großserientauglich im Spritzgießverfahren herstellen lässt. Die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur ist im Vergleich mit der konventionellen Kreuzverrippung für den Kompaktspritzguss höher. Dies bewirkt einen gesteigerten Leichtbaueffekt: bei gleicher Biegesteifigkeit kann die Bauteildicke reduziert und damit Gewicht eingespart werden. Durch schaumgerechte Gestaltung der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur wird ein deutlicher Leichtbaueffekt erzielt. Eine hochfeste Randschicht in Kombination mit einem inneren leichten geschäumten Kernbereich erzeugt eine erhöhte gewichtsbezogene Biegesteifigkeit. Die Dichte der gesamten Leichtbaustruktur in Abhängigkeit vom verwendeten Thermoplast ist zumindest 20% gegenüber der Ausgangsdichte des Thermoplasts reduziert. Die kostengünstige Herstellung im Ein- oder Zweikomponenten-Spritzgießverfahren ermöglicht kurze Zykluszeiten und Großserientauglichkeit. Die erfinderische Lösung vermindert das Durchdringen der Schaumblasen an die Formteiloberfläche durch beschleunigtes Erstarren an der vergrößerten Kavitätsoberfläche. Die vermehrte Ansammlung von Hautmaterial außerhalb des Bereichs der Sicke verhindert vorteilhaft das beim TSG typische Aufblähen dickerer Formteilwandungen. Der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Leichtbau-Formteils ist breit. Im Bereich Automotive können Verwendungen beispielweise Batterieträger, Frontendträger, Fußraumabdeckungen, Dämpfungswannen, Reserveradwannen oder Heckklappenabdeckungen sein: Im allgemeinen Maschinenbau existieren viele Anwendungen für Maschinenelemente, bei denen eine Verringerung bewegter Massen angestrebt wird. Weitere Anwendungen sind mechanisch hoch belastete Gehäuse oder Bereiche von Gehäusen, die zugleich möglich leicht sein sollen.The resulting advantageous effects of the invention are that with the same mechanical performance, the lightweight construction according to the invention is lighter than the conventional lightweight structures of the prior art and can be mass produced suitable for injection molding. The weight-related bending stiffness of the lightweight construction according to the invention is higher in comparison with the conventional cross ribbing for compact injection molding. This causes an increased lightweight effect: with the same bending stiffness, the component thickness can be reduced and thus weight can be saved. Foam-compatible design of the lightweight structure according to the invention a clear lightweight effect is achieved. A high-strength surface layer in combination with an inner lightweight foamed core region produces an increased weight-related bending stiffness. The density of the entire lightweight structure, depending on the thermoplastic used is at least 20% reduced compared to the initial density of the thermoplastic. The Cost-effective production in one- or two-component injection molding enables short cycle times and mass production suitability. The inventive solution reduces penetration of the foam bubbles to the molding surface by accelerated solidification on the enlarged cavity surface. The increased accumulation of skin material outside the area of the bead advantageously prevents the typical TSG swelling of thicker molding walls. The scope of the lightweight molding according to the invention is wide. In the automotive field, uses may include, for example, battery carriers, front end supports, footwell covers, damping troughs, spare wheel wells, or tailgate covers. In general engineering, there are many applications for machine elements that seek to reduce moving masses. Further applications are mechanically highly loaded housings or areas of housings, which should also be light at the same time.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden weitere Merkmale und Vorteile gemäß der Erfindung offenbart. Verschiedene Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.The present invention will be explained in more detail with reference to embodiments and drawings. In this case, further features and advantages are disclosed according to the invention. Various features of different embodiments can be combined.
Durch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden erfindungsgemäße Leichtbaustrukturen dargestellt. In der Leichtbaustruktur werden Merkmale des Werkstoffleichtbaus, des konstruktiven Leichtbaus und des Leichtbaus durch Fertigungsverfahren vorteilhaft miteinander kombiniert. Die erfindungsgemäßen Leichtbaustrukturen ohne und mit einer Deckschicht werden mit einer konventionellen Kreuzverrippung verglichen.By two embodiments of the invention, lightweight structures according to the invention are shown. In the lightweight structure features of lightweight materials, lightweight construction and lightweight construction are advantageously combined with each other by manufacturing processes. The lightweight structures according to the invention without and with a cover layer are compared with a conventional cross ribbing.
Für beide Einkomponenten- sowie Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren werden die Abmessungen der Leichtbaustrukturen so berechnet, dass der Durchmesser der Sicke beträgt 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 5 mm und, dass die Wanddicke der Hautschicht außerhalb des Bereichs der Sicke beträgt 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 1 mm.For both one-component and two-component sandwich injection molding, the dimensions of the lightweight structures are calculated so that the diameter of the bead is 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm and that the wall thickness of the skin layer is outside the range of the
Als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Leichtbaustruktur dargestellt, die im Einkomponenten-Spritzgießverfahren hergestellt wurde. Im Einkomponenten-Verfahren entsteht eine Integralschaumstruktur mit kompakter Haut und geschäumten Kern, wobei der Übergang von geschäumter zur kompakten Struktur allmählich erfolgt. Die Schäumung kann chemisch (Treibmittel) oder physikalisch (durch Einbringen von Treibgas in die Schmelze) erfolgen. Es bildet sich eine Hautschicht aus kompaktem Thermoplast an der Kavitätsoberfläche aus. Das Verhältnis zwischen Haut- und Kern-Anteilen wird hauptsächlich durch die verwendeten Materialien und durch die Prozessführung beim Schäumen bestimmt. Die örtliche Verteilung der Schichtdicken ist von den Strömungs- und Abkühlungsvorgängen abhängig.As a first embodiment of the invention, a lightweight structure is shown, which was produced in one-component injection molding. The one-component process produces an integral foam structure with a compact skin and a foamed core, whereby the transition from foamed to compact structure takes place gradually. The foaming can be done chemically (blowing agent) or physically (by introducing propellant into the melt). It forms a skin layer of compact thermoplastic at the Kavitätsoberfläche. The ratio between skin and core contents is determined mainly by the materials used and by the process of foaming. The local distribution of the layer thicknesses depends on the flow and cooling processes.
Im Einkomponenten-Spritzgießverfahren werden erfindungsgemäße Leichtbaustrukturen untereinander und mit einer konventionellen Kreuzverrippung des Stands der Technik (Demonstrator) verglichen. Die Leichtbaustruktur (A) wurde mit der folgenden Werkstoffmischung (Tabelle 1) berechnet, wobei:
- – PP ein ungefülltes unverstärktes Polypropylen-Produkt ist;
- – Organoblech ein kommerziell erhältliches endlosfaserverstärktes vorkonsolidiertes Halbzeug ist.
- PP is an unfilled polypropylene unreinforced product;
- - Organic sheet is a commercially available continuous fiber reinforced pre-consolidated semi-finished product.
Alle Kernschichten der geschäumten Leichtbaustrukturen bestehen aus mit 2% chemischen endothermen Treibmittel erzeugtem Schaum aus unverstärktem Polypropylen mit einer Dichte von ca. 0,5 g/cm3. Um einen feinzelligeren Schaum zu erzeugen, ist wahlweise eine Zugabe von Nukleierungsmittel möglich. Die Variante der Leichtbaustruktur mit Sicke zeigt die höchste gewichtsspezifische Biegesteifigkeit: Tabelle 1 All core layers of the foamed lightweight structures consist of 2% chemical endothermic blowing agent produced foam of unreinforced polypropylene with a density of about 0.5 g / cm 3 . In order to produce a finer-celled foam, an addition of nucleating agent is optionally possible. The variant of the lightweight structure with beading shows the highest weight-specific flexural rigidity: Table 1
Im Vergleich zu der konventionelle Kreuzverrippung (D) aus PP, die keine Deckschicht aufweist und deren Dichte 0,90 g/cm3 beträgt, beträgt die Dichte des gesamten Hybridbauteils (A) 0,68 g/cm3. Durch eine verstärkende Deckschicht aus Organoblech kann die gewichtsspezifische Biegesteifigkeit des Hybridbauteils (A) weiter gesteigert werden.Compared to the conventional cross ribbing (D) made of PP, which has no covering layer and whose density is 0.90 g / cm 3 , the density of the entire hybrid component (A) is 0.68 g / cm 3 . By a reinforcing cover layer of organic sheet, the weight-specific bending stiffness of the hybrid component (A) can be further increased.
Als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Leichtbaustruktur dargestellt, die im Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren hergestellt wurde. Im Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren werden zwei Kunststoffkomponenten hintereinander in ein Werkzeug, welches im Prinzip wie ein Einkomponentenwerkzeug aufgebaut ist, über einen gemeinsamen Anschnitt eingespritzt. Zunächst erfolgt eine Teilfüllung mit der ersten Komponente, welche die Hautschicht bildet. Die unmittelbar danach eingespritzte zweite Komponente vervollständigt die Füllung derart, dass die erste Komponente durch den laminaren Strömungsvorgang stets außen bleibt. Damit bildet die zweite Komponente zwangsläufig die Kernschicht. Haut- und Kernschicht sind nicht vermischt und durch eine scharfe Phasengrenze erkennbar. Das Verhältnis zwischen Haut- und Kern-Anteilen wird durch die Dosierung der ersten und der zweiten Komponente bestimmt. Die örtliche Verteilung der Schichtdicken ist – wie schon bei dem Einkomponentenverfahren – von den Strömungs- und Abkühlungsvorgängen abhängig. Für Leichtbauanwendungen kann die Kernschicht physikalisch oder chemisch geschäumt werden. Für auf Biegung beanspruchten Leichtbaustrukturen besteht die Aufgabe darin, die gewichtsbezogene Steifigkeit zu optimieren. Das heißt, die tragenden Strukturen (in diesem Fall die kompakte, aber schwere Hautschicht) werden in den Außenbereichen fern der neutralen Biegeebene zu platziert, um dort, also in Bereichen der höchsten Deformation die Zugspannungen aufzunehmen. Im inneren dagegen soll sich ein leichter Kernbereich mit geschäumter Struktur befinden. Diese nimmt in Tendenz der Lage nah zur neutralen Biegeebene des Bauteils immer kleiner werdende Zugspannungen in Biegerichtung auf. Die Kernschicht hat außerdem die Funktion, die Druckspannungen senkrecht der neutralen Biegeebene aufzunehmen und damit die Hautschicht in der gewünschten Position zu halten. Dies ist besonders bei den betrachteten flächigen Bauteilen relevant, um ein Kollabieren der Kernschicht und somit eine Schwächung der Bauteilfestigkeit zu vermeiden. Im Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießprozess kann über das Viskositätsverhältnis und Dosierverhältnis der beiden Komponenten sowie über die Einspritzgeschwindigkeit das Verhältnis des Haut- und Kernanteils zueinander global in gewissen Grenzen gesteuert werden. Diese globale Einflussnahme ist auch beim Einkomponenten-Schaumspritzguss über die Prozessführung begrenzt möglich. Um das Verhältnis des Haut- und Kernanteils lokal zu steuern, müssen die Abkühlbedingungen lokal unterschiedlich sein; höhere Randschichtdicken erfordern höhere Abkühlraten. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Stähle grenzt die Möglichkeiten der lokalen Temperierung stark ein. Mittels des Verfahrens werden die Abkühlbedingungen und damit die Hautschichtdicke über die Gestaltung der Formteiloberfläche sowohl für die oben beschriebene Einkomponenten- als auch für Zweikomponenten Spritzgießprozess beeinflusst. Eine große Oberfläche erleichtert die Abkühlung und generiert eine vergrößerte Randschichtdicke. Im Folgenden wird das Abkühlverhalten einer Thermoplastschmelze bei sinkenden Wanddicken eines Formteils beim TSG im Allgemeinen erläutert. Eine Platte mit den Abmessungen 60 × 60 mm wurde jeweils in den Dicken 1, 2, 3, und 4 mm durch Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren mit kompakter Hautschicht und geschäumter Kernschicht hergestellt. Das Verhältnis der Formteiloberfläche zum Formteilquerschnitt steigt exponentiell an. Die Folge ist ein mit sinkenden Wanddicken schnellere Erstarrung der Schmelze an der Kavitätsoberfläche des Werkzeugs, einher gehend mit einer vermehrten Ansammlung von kompaktem Thermoplast in der Hautschicht. Erfindungsgemäß wird dieser Effekt durch das Einbringen einer Sicke in die Kavitätsoberfläche genutzt. Mit steigenden Wanddicken steigt auch gleichzeitig der Kernschichtanteil. Dieser Effekt wird durch die erfindungsgemäße im Vergleich zur konventionellen Kreuzverrippung dickere Rippenwanddicke vorteilhaft in Bezug auf Leichtbau genutzt. Bei einer Wanddicke von 4 mm in der Mitte des Formteils ist ein Aufblähen des Wandquerschnitts zu erkennen. Dieser unerwünschte, im TSG typische Effekt wird durch die vermehrte Ansammlung von kompaktem Thermoplast in der Hautschicht erfolgreich verhindert.As a second embodiment of the invention, a lightweight structure is shown, which was produced in the two-component sandwich injection molding. In the two-component sandwich injection molding process, two plastic components are injected one behind the other into a tool, which in principle is constructed like a one-component mold, via a common gate. First, a partial filling with the first component, which forms the skin layer. The second component, injected immediately thereafter, completes the filling in such a way that the first component always remains outside due to the laminar flow process. Thus, the second component inevitably forms the core layer. The skin and core layers are not mixed and can be recognized by a sharp phase boundary. The ratio between skin and core proportions is determined by the dosage of the first and second components. The local distribution of the layer thicknesses - as with the one-component method - depends on the flow and cooling processes. For lightweight applications, the core layer may be physically or chemically foamed. For lightweight construction structures subjected to bending, the task is to optimize the weight-related stiffness. That is, the load-bearing structures (in this case, the compact but heavy skin layer) are placed in the outer areas away from the neutral bending plane in order to absorb the tensile stresses there, ie in areas of maximum deformation. In the interior, however, should be a light core area with foamed structure. This increases in tendency of the position close to the neutral bending plane of the component ever smaller tensile stresses in the bending direction. The core layer also has the function to absorb the compressive stresses perpendicular to the neutral bending plane and thus to keep the skin layer in the desired position. This is particularly relevant for the considered planar components, in order to avoid a collapse of the core layer and thus a weakening of the component strength. In the two-component sandwich injection molding process, the ratio of the skin and core portions to one another can be controlled globally within certain limits via the viscosity ratio and dosing ratio of the two components as well as via the injection speed. This global influence is also limited in single-component foam injection molding via process control. To locally control the ratio of skin and core, the cooling conditions must be locally different; Higher edge layer thicknesses require higher cooling rates. The high thermal conductivity of the steels greatly limits the possibilities of local temperature control. By means of the method, the cooling conditions and thus the skin layer thickness are influenced by the design of the molding surface both for the one-component and two-component injection molding process described above. A large surface facilitates cooling and generates an increased edge layer thickness. In the following, the cooling behavior of a thermoplastic melt with decreasing wall thicknesses of a molded part in the TSG is explained in general. A 60 × 60 mm board was produced in thicknesses of 1, 2, 3, and 4 mm by two-component sandwich skin compacting and foamed core layer sandwich injection molding. The ratio of the molding surface to the molding cross-section increases exponentially at. The result is a faster solidification of the melt at the cavity surface of the mold with decreasing wall thicknesses, accompanied by an increased accumulation of compact thermoplastic in the skin layer. According to the invention, this effect is utilized by introducing a bead into the cavity surface. As wall thicknesses increase, so does the core layer content. This effect is advantageously used by the inventive compared to the conventional cross ribbing thicker rib wall thickness in terms of lightweight construction. At a wall thickness of 4 mm in the middle of the molding, a swelling of the wall cross-section can be seen. This undesirable effect typical of TSG is successfully prevented by the increased accumulation of compact thermoplastic in the skin layer.
Im Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießverfahren werden erfindungsgemäße Leichtbaustrukturen untereinander und mit einer konventionellen Kreuzverrippung des Stands der Technik (Demonstrator) verglichen (Tabelle 2a und 2b).In the two-component sandwich injection molding process lightweight structures according to the invention are compared with each other and with a conventional cross ribbing of the prior art (demonstrator) (Table 2a and 2b).
Die Leichtbaustrukturen (A' und B') wurden mit verschiedenen Werkstoffmischungen auf Basis der Materialmatrix Polypropylen (Tabelle 2a) berechnet, wobei:
- – PP ein ungefülltes unverstärktes Polypropylen-Produkt ist;
- – PP GF 30 ein Polypropylen-Produkt, gefüllt mit 30% Glasfaser ist,
- – PP H-GK ein Polypropylen-Produkt, verstärkt mit Hohlglaskugel ist,
- – Organoblech ein kommerziell erhältliches endlosfaserverstärktes vorkonsolidiertes Halbzeug ist.
- PP is an unfilled polypropylene unreinforced product;
- - PP GF 30 is a polypropylene product filled with 30% glass fiber,
- - PP H-GK is a polypropylene product reinforced with hollow glass sphere,
- - Organic sheet is a commercially available continuous fiber reinforced pre-consolidated semi-finished product.
Tabelle 2a Table 2a
Im Vergleich zu der konventionelle Kreuzverrippung (D') aus PP GF 30 die keine Deckschicht aufweist und deren Dichte 1,12 g/cm3 beträgt, beträgt die Dichte des gesamten Hybridbauteils (A') 0,64 g/cm3 und die Dichte des gesamten Hybridbauteils (B') 0,54 g/cm3. Durch eine verstärkende Deckschicht aus Organoblech kann die gewichtsspezifische Biegesteifigkeit des Hybridbauteils (A') weiter gesteigert werden.Compared to the conventional cross ribbing (D ') made of PP GF 30 which has no covering layer and whose density is 1.12 g / cm 3 , the density of the entire hybrid component (A') is 0.64 g / cm 3 and the density of the entire hybrid component (B ') 0.54 g / cm 3 . By a reinforcing cover layer of organic sheet, the weight-specific bending stiffness of the hybrid component (A ') can be further increased.
Die Leichtbaustruktur (A'') wurde mit einer Werkstoffmischung auf Basis der Materialmatrix Polyamid 6 (Tabelle 2b) berechnet, wobei:
- – PA6 ein ungefülltes unverstärktes Polyamid 6 – Produkt ist,
- – PA6 GF 30
ein Polyamid 6 – Produkt, gefüllt mit 30% Glasfaser ist, - – Organoblech ein kommerziell erhältliches endlosfaserverstärktes vorkonsolidiertes Halbzeug ist.
- PA6 is an unfilled
unreinforced polyamide 6 product, - PA6 GF 30 a
polyamide 6 product filled with 30% glass fiber - - Organic sheet is a commercially available continuous fiber reinforced pre-consolidated semi-finished product.
Tabelle 2b Table 2b
Im Vergleich zu der konventionelle Kreuzverrippung (D'') aus PA GF 30, die keine Deckschicht aufweist und deren Dichte 1,34 g/cm3 beträgt, beträgt die Dichte des gesamten Hybridbauteils (A'') 0,99 g/cm3. Durch eine verstärkende Deckschicht aus Organoblech kann die gewichtsspezifische Biegesteifigkeit des Hybridbauteils (A'') weiter gesteigert werden.Compared to the conventional cross ribbing (D '') of PA GF 30, which has no top layer and whose density is 1.34 g / cm 3 , the density of the entire hybrid component (A ") is 0.99 g / cm 3 , By a reinforcing cover layer of organic sheet, the weight-specific bending stiffness of the hybrid component (A '') can be further increased.
Insgesamt zeigt der Vergleich der erfindungsgemäßen geschäumten Leichtbaustrukturen mit Sicke mit den konventionellen kompakten Kreuzverrippungen durchgängig höhere Werte der gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit für die geschäumten Leichtbaustrukturen. Die in Schaum rippengeometrie im Zweikomponenten-Sandwichspritzguss hergestellten Formteile erzielen höhere gewichtsspezifische Biegesteifigkeiten als die Formteile mit konventioneller Kreuzverrippung, die im Einkomponenten-Spritzguss hergestellt wurden.Overall, the comparison of the foamed lightweight structures according to the invention with beading with the conventional compact cross ribs shows consistently higher values of the weight-related bending stiffness for the foamed lightweight structures. The molded parts produced in foam-rib geometry in the two-component sandwich injection molding achieve higher weight-specific bending stiffnesses than the conventional cross-ribbed shaped parts produced by one-component injection molding.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.Advantageous embodiments will be explained below with reference to FIGS.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leichtbaustrukturlightweight structure
- 22
- Hautschichtskin layer
- 33
- Kernschichtcore layer
- 44
- SickeBeading
- 55
- Deckschichttopcoat
- 66
- Konventionelle Kreuzverrippung (Demontrator)Conventional cross ribbing (demonstrator)
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 0850113 B1 [0006] EP 0850113 B1 [0006]
- DE 19944352 C2 [0007] DE 19944352 C2 [0007]
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