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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen mit einer solchen Vorrichtung nach dem Patentanspruch 7.
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Zum Spritzgießen von Kunststoffformteilen kommen regelmäßig Spritzmodule zum Einsatz, die eine Schneckenwelle, auch allgemein Schnecke genannt, umfassen, die in einem Extruderzylinder verschiebbar gelagert ist. Der Innendurchmesser des Extruderzylinders entspricht dabei im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Schnecke. Im hinteren Bereich des Extruderzylinders ist ein Trichter zur Zuführung von Kunststoffgranulat angeordnet, in den das Kunststoffgranulat eingefüllt wird und durch eine Öffnung in den Extruderzylinder rieselt. Die Schnecke wird von einem Antrieb in Rotation versetzt und transportiert so das Kunststoffgranulat vorwärts. Dabei wird der Extruderzylinder mittels elektrischer Heizbänder von außen erwärmt. Durch diese Erwärmung und durch die Schneckengeometrie wird das Granulat geschert und nach vorne befördert, wobei der Kunststoff plastifiziert und homogenisiert wird. Am vorderen Ende des Extruderzylinders ist eine Düse angeordnet, die in ein Formwerkzeug mündet. Im Prozess wird die Formmasse durch eine an der Schnecke angeordnete Rückstromsperre bis zur Düse transportiert und davor gestaut. Die Schnecke wird dabei axial mit einem Staudruck beaufschlagt, wobei sie sich in Richtung des Einfülltrichters verschieben kann und sich so zwischen Rückstromsperre und Düse ein Vorraum bildet, in dem die Formmasse zum Einspritzen angestaut ist. Der Staudruck wirkt gegen die Schmelze, sodass diese verdichtet wird. Durch den Druck, den die Schmelze ausübt, wird die Schnecke zurückbewegt. Beim Einspritzvorgang wird die Schnecke sodann axial zur Düse hin bewegt, wobei sich die Rückstromsperre schließt und so die Kunststoffmasse durch die Düse in das Werkstoff gespritzt wird. Spritzgießvorrichtungen der vorgenannten Art sind beispielsweise in der
DE 202 12 963 U1 ,
WO 01/54877 A1 sowie der
JP 2011-201 296 A beschrieben.
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Zur Herstellung von Leichtbauteilen ist es bekannt, dem Kunststoffgranulat Glasfasermaterial beizufügen. Dabei hat sich gezeigt, dass insbesondere durch den Einsatz von Langfasermaterial mit einer Faserlänge von etwa 10 bis 15 mm eine besonders hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig geringem Bauteilgewicht erzielbar ist. Bei der Zugabe des Langfasermaterials hat sich jedoch gezeigt, dass dieses durch die Förderung über die Schneckengeometrie geschert wird, sodass die resultierende Faserverbundkunststoffformmasse vor dem Einspritzen in das Formwerkzeug nunmehr Fasern mit einer reduzierten Faserlänge von teilweise unter einem Millimeter aufweisen. Derzeit wird versucht, diesem Effekt durch aufwendige Schneckengeometrien sowie dem Einsatz von Mehrschneckenanordnungen entgegenzuwirken. Doch auch hier stellt sich weiterhin die Problematik, dass durch den Förderprozess eine Verkürzung der Langfasern durch Abscherung stattfindet.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen bereit zu stellen, welche eine Verarbeitung von Langfasermaterial mit reduzierter Längeneinbuße im Prozess ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.
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Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen bereit gestellt, die eine Verarbeitung von Langfasermaterial unter reduzierter Längeneinbuße ermöglicht. Dadurch, dass das Kunststoffgranulat und der Langfasermaterial enthaltende Materialstrom über zwei separate Fördereinrichtungen in die Mischkammer eingebracht werden, ist eine mechanische Beeinträchtigung des Langfasermaterials vermieden. Das in der Mischkammer befindliche Materialgemisch aus Kunststoffgranulat und Langfasermaterial kann über den angeordneten Kolben nachfolgend in das Formwerkzeug eingebracht werden.
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Dabei ist die erste Fördereinrichtung durch eine in dem beheizbaren, einen Einfülltrichter aufweisenden Extruderraum eines Extruderzylinders angeordnete Schneckenwelle gebildet, durch dessen Rotation die Förderung des ersten, durch den Einfülltrichter zugeführten Materialstroms in den Mischraum erzielbar ist. Hierdurch ist die Vorhaltung eines plastifizierten und homogenisierten Kunststoffmassestroms in dem Mischraum ermöglicht.
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Weiterhin ist die Schneckewelle in dem Extruderraum axial verschiebbar und in der Schneckenwelle ist eine axiale Durchbohrung eingebracht, wobei die Schneckewelle an ihrem dem Mischraum gegenüberliegenden Ende einen Vorraum zur Aufnahme von Langfasermaterial aufweist und wobei die zweite Fördereinrichtung ebenfalls durch die Schnecke gebildet ist, durch deren Verschiebung eine Verkleinerung des Vorraums erzielbar ist, wodurch das in dem Vorraum befindliche Langfasermaterial durch die axiale Durchbohrung in die Mischkammer förderbar ist. Hierdurch ist eine gleichzeitige, separate Förderung des Kunststoffgranulates über die Schneckengeometrie auf der einen Seite und des Langfasermaterial enthaltenden Materialstroms durch die axiale Durchbohrung der Schneckenwelle auf der anderen Seite ermöglicht. Die beiden Materialströme treffen erst am Ende der Schneckenwelle in der Mischkammer aufeinander, wo diese unter deutlich verringerter Beeinträchtigung der Langfasern vermischt werden. Zum Einbringen des in dem Mischraum befindlichen Faserverbundkunststoffmaterials in das Formwerkzeug kann die Schneckenwelle in bekannter Art und Weise axial in Richtung der Einspritzdüse verschoben werden, wodurch das Material in das Formwerkzeug verbracht wird. Dabei wirkt die Schneckenwelle mit der vorzugsweise an dieser angebrachten Rückstromsperre als Kolben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorraum über einen Schieber verschließbar. Hierdurch ist ein ungewolltes Ausbringen von Langfasermaterial durch eine Verschiebung der Schneckenwelle mit gleichzeitiger Verkleinerung des Vorraums aus der Befüllöffnung des Vorraums verhindert.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Fördereinrichtung eine einen in den Mischraum mündendes, geneigtes Förderrohr aufweisende gravimetrische Fördereinrichtung, die mit einer Langfasermaterialzuführeinrichtung verbunden ist. Bei dieser Lösung kann der Langfasermaterial enthaltende Materialstrom über das geneigte Förderrohr in den Mischraum eingebracht werden, wobei gleichzeitig über die erste Fördereinrichtung, bevorzugt eine Schneckenwelle plastifiziertes Kunststoffgranulat in den Mischraum eingeleitet wird, wodurch eine schonende Vermischung des Langfasermaterials mit der Kunststoffmasse erfolgen kann. Dabei ist bevorzugt der Kolben als separater Kolben ausgebildet, der an seiner der Einspritzdüse gegenüberliegenden Seite des Mischraums den beiden Fördereinrichtungen vorgelagert angeordnet ist. Über diesen Kolben kann nach Vermischung des Langfasermaterials mit dem plastifizierten Kunststoffmaterial das Gemisch über die Einspritzdüse in das Formwerkzeug verbracht werden. Die Materialzuführeinrichtung umfasst dabei bevorzugt ein Mischwerk mit gravimetrischer Dosierung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Förderrohr mit einer Venturidüse verbunden, über welche die Langfasermaterialzufuhr erfolgt. Hierdurch ist ein gleichmäßiger Mengenstrom an Langfasermaterial erzielbar, wodurch eine homogene Vermischung von Langfasermaterial und plastifizierter Kunststoffmasse ermöglicht ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist benachbart zu dem Förderrohr eine Sprühdüse zur Einbringung eines Gases, vorzugsweise N2 oder CO2 angeordnet. Durch die gleichzeitige Einbringung eines solchen Gases können die eingebrachten Langfasern in dem Mischraum in Schwebe gehalten werden, während diese mit plastifizierter Kunststoffmasse über die erste Fördereinrichtung umspülbar sind. Hierdurch ist eine besonders gute Homogenisierung des Langfaser-Kunststoffgemischs erzielbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen insbesondere mit einer Vorrichtung der vorgenannten Art bereitzustellen, die eine Verarbeitung von Langfasermaterial mit reduzierter Längeneinbuße ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Mit der Erfindung ist ein Verfahren zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen, insbesondere mit einer Vorrichtung der vorgenannten Art bereitgestellt, die eine Verarbeitung von Langfasermaterial mit verringerter Längeneinbuße der Langfasern ermöglicht. Dadurch, dass Kunststoffgranulat und Langfasermaterial über separate Zuführeinrichtungen einem beheizten Mischraum zugeführt werden, ist einer mechanischen Beeinträchtigung der Langfasern bei deren Förderung entgegen gewirkt. Kunststoffgranulat und Langfasermaterial werden in dem beheizten Mischraum erstmals vermengt und dort weiter plastifiziert, von wo das Materialgemisch dann mittels eines Kolbens in ein Formwerkzeug eingespritzt werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Zuführung von Kunststoffmaterial außen und die Zuführung von Langfasermaterial innen entlang einer in einem Extruderraum eines Extruderzylinders angeordneten, eine axiale Durchbohrung aufweisenden Schneckenwelle. Hierdurch ist eine gleichzeitige, über eine Schneckenwelle bewirkte separate Förderung der beiden Stoffströme ermöglicht. Das Kunststoffgranulat kann im Zuge der Förderung durch die Schneckengeometrie in Verbindung mit einer Erhitzung des Extruderzylinders plastifiziert und homogenisiert werden, bevor es in dem Mischraum mit dem Stoffstrom des Langfasermaterials vermischt wird. Vorteilhaft erfolgt die Förderung von Langfasermaterial in den Mischraum einerseits und das Einspritzen des Kunststofflangfasermaterials in das Formwerkzeug andererseits jeweils durch eine axiale Verschiebung der Schneckenwelle innerhalb des Extruderzylinderraumes. Hierbei wirkt die Schneckenwelle gleichzeitig als „Pumpe”, durch die weiteres Langfasermaterialgemisch in den Vorraum „gesaugt” wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Mischraum während der Zuführung von Kunststoffmaterial und Langfasermaterial mit einem Gas, vorzugsweise N2 oder CO2 beaufschlagt. Hierdurch wird das Langfasermaterial in Schwebe gehalten, während es von Kunststoffmaterial umströmt wird, wodurch eine gute Durchmischung erzielbar ist.
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Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 Die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen (Schneckenwelle in hinterer Position);
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2 die Vorrichtung aus 1 nach einem Einspritzvorgang (Schneckenwelle in vorderer Position);
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3 die schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung nach 1 mit über Zylindern verschiebbarem Nachfüllkolben;
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4 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen in einer weiteren Ausführungsform;
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5 die Darstellung einer Vorrichtung zum Umspritzen eines in der ersten Kavität der Vorrichtung aus 4 hergestellten Faserverbundkunststoffformteils in der zweiten Kavität und
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6 die Detaildarstellung der Langfasermaterialzuführeinrichtung „X” der Vorrichtung aus 4.
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Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen besteht im Wesentlichen aus einem Spritzmodul 1, das über eine Einspritzdüse 21 mit einem Formwerkzeug 9 verbunden ist. Das Spritzmodul 1 ist gebildet durch einen Extrusionszylinder 2, in dem eine Schneckenwelle 3 verschiebbar gelagert und über einem mit dieser verbundenen Antrieb 5 rotierbar sowie verschiebbar ist.
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Der Extrusionszylinder 2 ist endseitig mit einer Einspritzdüse 21 versehen. Außen umlaufend sind an dem Extrusionszylinder Heizbander 22 angeordnet, deren Heizleistung durch in dem Mantel des Extrusionszylinders 2 weiterhin angeordnete Heizwendeln 23 noch verstärkt wird. Etwa mittig ist an dem Extrusionszylinder 2 ein Einfülltrichter 24 angeordnet, der in dem Extrusionsraum 20 des Extrusionszylinders 2 mündet. Der Einfülltrichter 24 dient der Zuführung von plastifizierbarem Kunststoffgranulat. Beabstandet zu dem Einfülltrichter 24 ist weiterhin eine Einfüllöffnung 25 für ein Mischwerk 4 für Glasfasern und Kunststoffgranulat angeordnet, die über einen Schieber 26 verschließbar ist.
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Die Schneckenwelle 3 weist mittig eine Axialbohrung 31 auf. An ihrem der Einspritzdüse 21 des Extrusionszylinders 2 zugewandten Ende ist an der Schneckenwelle 3 eine kegelförmige Anformung 32 angeformt, die ein Kugelventil 33 aufnimmt und an die sich eine Rückstromsperre 34 anschließt. An die Rückstromsperre 34 grenzt eine entlang der Mantelfläche der Schneckenwelle 3 umlaufende Schneckenwendel 35, an die sich ein durchmesserreduzierter zylindrischer Abschnitt 36 anschließt. Im Übergang zum zylindrischen Abschnitt 36 sind in die Schneckenwelle 3 umlaufend Öffnungen 37 in Form von schräg in die Axialbohrung 31 mündende Bohrungen zum Einbringen von Langfasermaterial in diese Axialbohrung 31 eingebracht. Der durch die durchmesserreduzierte Ausgestaltung des zylindrischen Abschnitts 36 gebildete umlaufende Hohlraum bildet einen Vorraum 361 aus und dient der Bevorratung von in die Axialbohrung 31 einzubringendem Langfasermaterial.
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Zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen wird Kunststoffgranulat über den Einfülltrichter 24 auf die Schneckenwendel 35 der Schneckenwelle aufgegeben. Weiterhin wird von dem Mischwerk 4 vorgemischtes Langfasermaterial durch die Einfüllöffnung 25 des Extrusionszylinders durch die Öffnungen 37 der Schneckenwelle 3 in deren Axialbohrung 31 gefördert. Der Schieber 26 ist hierzu geöffnet. Nach dem Füllvorgang wird der Schieber 26 sodann geschlossen. Die Schneckenwelle 3 wird über den mit dieser verbundenen Antrieb 5 in Rotation versetzt, wodurch das über den Einfülltrichter 24 aufgegebene Kunststoffgranulat über die Schneckenwendel 35 im Extruderraum 20 des Extrusionszylinders vorwärts transportiert wird. Dabei wird der Extrusionszylinder 2 über die Heizbänder 22 sowie die Heizwendeln 23 erwärmt. Durch diese Hitze sowie die Geometrie der Schneckenwendel 35 wird das Kunststoffgranulat geschert, plastifiziert und homogenisiert. Die so gebildete Kunststoffmasse wird in den zwischen der kegelförmigen Anformung 32 der Schneckenwelle 3 und dem Extruderraum 20 des Extrusionszylinders 2 gebildeten Mischraum 27 verbracht, wo die Kunststoffmasse gestaut wird. Durch die zunehmende Menge der in den Mischraum geförderten Kunststoffmasse wird die Schneckenwelle 3 in Richtung des Einfülltrichters 24 zurückbewegt, wodurch der durch den durchmesserreduzierten zylindrischen Abschnitt 36 gebildete Absatz sowie die in diesem eingebrachten, als Schrägbohrung ausgeführten Öffnungen 37 relativ zu dem positionsfest angeordneten, den zylindrischen Abschnitt 36 ummantelnden Kolben 38 verschoben wird. Hierdurch wird das in dem Vorraum 361 befindliche Langfasermaterial durch die Öffnungen 37 in die Axialbohrung 31 verbracht und durch die Axialbohrung 31 hindurch in den Mischraum 27 gefördert, wo es mit der Kunststoffmasse vermischt wird. Nachfolgend wird die Schneckenwelle 3 mitsamt dem Kolben 38 über den Antrieb 5 axial in Richtung Einspritzdüse 21 verfahren, wodurch die im Mischraum 27 befindliche Faserverbundkunststoffmasse in das Formwerkzeug 9 verbracht wird. Das in der kegelförmigen Anformung 32 angeordnete Kugelventil 33 verhindert dabei ein Eindringen der Faserverbundkunststoffmasse in die Axialbohrung 31 der Schneckenwelle 3. Nach Beendigung des Spritzvorgangs wird der Kolben 38 in seine Ausgangsposition zurückbewegt und über den Einfülltrichter 24 wird wiederum Kunststoffgranulat aufgegeben und die Schneckenwelle 3 wird über den Antrieb 5 in Rotation versetzt, wonach sich der vorstehend beschriebene Prozess wiederholt. Der Schieber 26 ist dabei jeweils in vorderer Stellung der Schneckenwelle 3 geöffnet und bei einer Rückwärtsbewegung der Schneckenwelle 3 geschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Kolben 38 mit außen an dem Extrusionszylinder 2 angeordneten Hydraulikzylindern 28 verbunden, über den der Kolbenhub und damit die Menge des durch die Axialbohrung 31 der Schneckenwelle 3 geförderten Langfasermaterials einstellbar ist. Der in 3 dargestellte Antrieb 5 ist gleichsam an der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung vorhanden, wenngleich dieser dort nicht gezeigt ist.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen gezeigt. Hier ist ein Mischzylinder 6 angeordnet, in dem ein Kolben 61 verschiebbar gelagert ist, der mit einem Hydraulikzylinder 6 verbunden ist. Unterhalb des Kolbens 61 ist ein erster, ein Ventil aufweisender Anschluss 62 für die Einspritzdüse 71 eines Extrusionszylinders 7 sowie ein zweiter, ein Ventil aufweisender Anschluss 63 für ein mit einem Misch- und Schneidwerk 81 zur Aufbereitung von Langfasermaterial verbundenen Förderrohr 8 angeordnet. Unterhalb des zweiten Anschlusses 83 ist weiterhin eine Sprühdüse 64 zur Einleitung von Treibgas, insbesondere CO2 oder N2 angeordnet.
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Der Extrusionszylinder 7 weist in bekannter Weise eine Schnecke zur Förderung und Plastifizierung von Kunststoffgranulat auf und ist außen mit Heizbändern 73 versehen.
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Das Förderrohr 8 ist über eine Venturidüse 83 und einem an diesem sich anschließenden flexiblen Schlauch 82 mit einem Misch- und Schneidwerk 81 verbunden. Das Misch- und Schneidwerk 81 dient der Aufbereitung eines Gemischs bestehend aus abgelängten Langfasern und Kunststoffgranulatkörnern sowie einem Haftvermittler. Über die Venturidüse 83 erfolgt eine gravimetrische Dosierung des aufbereiteten Langfasermaterials.
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Zum Spritzgießen von Faserverbundkunststoffformteilen wird über das Förderrohr 8 von dem Misch- und Schneidwerk 81 aufbereitetes Langfasermaterial in den über Heizbänder 67 beheizbaren Mischraum 66 des Mischzylinders 6 eingebracht, wo es von über die Sprühdüse 64 eingebrachtem Treibgas verwirbelt und in Schwebe gehalten wird. Sodann wird über den Extrusionszylinder 7 durch die Einspritzdüse 71 plastifiziertes Kunststoffmaterial in den Mischraum 66 eingebracht, welches die in Schwebe gehaltenen Langfasern umspült. Anschließend wird der Kolben 61 über den Hyraulikzylinder 60 nach unten bewegt, wodurch die in dem Mischraum 66 befindliche Faserverbundkunststoffmasse durch die ein Ventil aufweisende Einspritzdüse 65 in die erste Kavität 93 des Formwerkzeugs 9 verbracht wird.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Formwerkzeug 9 aus zwei Werkzeughälften 91, 92 gebildet, welche eine erste Kavität 93 sowie eine gegenüber der ersten Kavität 93 mit einem Aufmaß versehene zweite Kavität 94 begrenzen. Das in der ersten Kavität 93 erstellte Faserverbundkunststoffformteil kann nun in die zweite Kavität 94 des Formwerkzeugs verbracht werden, wo es mit einem plastifizierten Kunststoffgranulat umspritzt werden kann. Ein solcher nachgeschalteter Umspritzprozess ermöglicht eine Oberfläche mit einer hohen Oberflächengüte. Zum Umspritzen ist das Formwerkzeug 9 mit einem weiteren Spritzmodul verbunden, wie in 5 gezeigt.
