DE102014221929A1 - Process for the production of components consisting of self-reinforced plastics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bau- oder Verbundbauteilen, die wenigstens zu einem Teil aus eigenverstärktem Kunststoff bestehen, bei dem die Formgebung des Bauteils (18) zunächst abgeschlossen wird. Es ist vorgesehen, dass nach Abschluss der Formgebung das entstandene Bauteil (18) einer Elektronenbestrahlung (14) unterzogen wird. Ferner ist ein Bauteil (18), das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, Bestandteil der vorliegenden Erfindung sowie ein Kraftfahrzeug (24), das ein solches Bauteil (18) umfasst.The invention relates to a method for the production of structural or composite components, which consist at least in part of self-reinforced plastic, in which the shape of the component (18) is initially completed. It is envisaged that after completion of the shaping, the resulting component (18) is subjected to electron irradiation (14). Further, a component (18), which has been produced by the method according to the invention, part of the present invention and a motor vehicle (24) comprising such a component (18).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die zumindest teilweise aus eigenverstärktem Kunststoff bestehen, sowie ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil und weiterhin ein Kraftfahrzeug, das ein solches Bauteil aufweist. The invention relates to a method for the production of components which at least partially consist of self-reinforced plastic, as well as a component produced by the method according to the invention and furthermore to a motor vehicle which has such a component.
Eigenverstärkte Kunststoffe und deren Herstellung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Sie bestehen aus einem polymeren Matrixmaterial sowie in das Matrixmaterial eingebrachten orientierten Fasern, die aus einem identischen oder chemisch ähnlichen Material bestehen wie die Matrix. Self-reinforced plastics and their production are generally known to the person skilled in the art. They consist of a polymeric matrix material as well as oriented fibers introduced into the matrix material which consist of an identical or chemically similar material as the matrix.
In technischen Anwendungsbereichen wie dem Leichtbau oder der Herstellung von Strukturbauteilen mit hohem E-Modul und hoher Steifigkeit kommen bislang vor allem faserverstärkte Kunststoffe mit Fasern aus Glas oder Karbon zum Einsatz. In technical fields of application such as lightweight construction or the production of structural components with a high modulus of elasticity and high rigidity, mainly fiber-reinforced plastics with fibers made of glass or carbon have hitherto been used.
In diesen Anwendungsbereichen stellen eigenverstärkte Kunststoffe eine Erfolg versprechende Alternative zu Faserverbundkunststoffen dar. Vorteilhaft ist hier insbesondere das geringere spezifische Gewicht der Fasern, da diese an Stelle von Glas oder Karbon, zum Beispiel aus einem thermoplastischen Werkstoff, bestehen können. Außerdem wird eine Erhöhung der Molekülorientierung im Polymer bewirkt, was in einem erhöhten E-Modul und einer erhöhten Steifigkeit resultiert. Ein weiterer Vorteil der eigenverstärkten Kunststoffe besteht darin, dass durch die Verwendung von konventionellen Polymeren, wie zum Beispiel Polyamid, die Kosten reduziert werden können. Als nachteilig erweist sich jedoch bislang die geringere Wärmebeständigkeit von Bauteilen aus eigenverstärkten Kunststoffen. Self-reinforced plastics represent a promising alternative to fiber-reinforced plastics in these fields of application. Here, the lower specific weight of the fibers is particularly advantageous since they can be made of glass or carbon, for example of a thermoplastic material. In addition, an increase in the molecular orientation is effected in the polymer, resulting in an increased modulus of elasticity and increased rigidity. Another advantage of self-reinforced plastics is that cost can be reduced by using conventional polymers such as polyamide. However, so far proves to be the lower heat resistance of components made of self-reinforced plastics disadvantageous.
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Bau- oder Verbundbauteile erhalten werden, die wenigstens zu einem Teil aus eigenverstärktem Kunststoff bestehen, und bei dem die mechanischen und thermischen Eigenschaften der hergestellten Bau- oder Verbundbauteile erhöht werden. The present invention has for its object to provide a method by which building or composite components are obtained, which consist of at least a part of self-reinforced plastic, and in which the mechanical and thermal properties of the manufactured structural or composite components are increased.
Im Folgenden werden die Begriffe Bauteil und Verbundbauteil teilweise synonym verwendet, sofern eine genaue Unterscheidung nicht erforderlich ist. In the following, the terms component and composite component are used partially synonymously, unless a precise distinction is required.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Bau- oder Verbundbauteilen, die wenigstens zu einem Teil aus eigenverstärktem Kunststoff bestehen, bei dem die Formgebung des Bauteiles zunächst abgeschlossen wird, dadurch gelöst, dass nach Abschluss der Formgebung das entstandene Bauteil einer Elektronenbestrahlung unterzogen wird. Durch die Elektronenbestrahlung werden sowohl noch vorhandene Restmonomergehalte im Polymer vernetzt, als auch die eingelegten Fasern und das Polymer in eine höherwertige Verbindung überführt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Verbesserung von Werkstoffcharakteristika bewirkt, wie zum Beispiel die Erhöhung des E-Moduls, der Festigkeit und der Härte sowie eine verbesserte Wärmebeständigkeit, eine geringere Wärmeausdehnung, eine höhere Glasübergangstemperatur und weiterhin eine erhöhte chemische Beständigkeit, eine reduzierte Wasseraufnahme, verbesserte Hydrolysebeständigkeit, et cetera. Said object is achieved by a method for the production of building or composite components, which consist at least in part of self-reinforced plastic, in which the shaping of the component is first completed, achieved in that after completion of the molding, the resulting component is subjected to electron irradiation , By electron irradiation, residual monomer contents still present in the polymer are crosslinked, as well as the inserted fibers and the polymer are converted into a higher-value compound. This advantageously brings about an improvement in material characteristics, such as increasing the modulus of elasticity, strength and hardness, as well as improved heat resistance, lower thermal expansion, higher glass transition temperature and, furthermore, increased chemical resistance, reduced water absorption, improved hydrolysis resistance, et cetera.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Einhaltung geeigneter Prozessparameter entscheidend für eine effektive Elektronenstrahlvernetzung. Wichtige Prozessparameter lauten wie folgt:
- – die eingesetzte Strahlendosis, diese liegt bevorzugt im Bereich von 10–3 Gy bis 10–6 Gy,
- – die Bestrahlungsatmosphäre, diese besteht bevorzugt aus Luft, Stickstoff oder besteht als Vakuum,
- – die Temperatur während der Elektronenbestrahlung (Bestrahlungstemperatur), diese liegt bevorzugt im Bereich von –40 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 0 °C bis 50 °C,
- – die Verwendung oder das Weglassen von Vernetzungshilfsmitteln, die dem Fachmann allgemein bekannt sind, in dem eigenverstärkten Kunststoff und
- – die Kinematik der Elektronenbestrahlung, die einseitig, mehrseitig und/oder mehrdimensional (bei Freiformflächen) erfolgen kann.
- The radiation dose used is preferably in the range from 10 -3 Gy to 10 -6 Gy,
- The irradiation atmosphere, which preferably consists of air, nitrogen or consists of a vacuum,
- The temperature during the electron irradiation (irradiation temperature), this is preferably in the range of -40 ° C to 100 ° C, particularly preferably in the range of 0 ° C to 50 ° C,
- The use or omission of crosslinking aids, which are well known to those skilled in the art, in the self-reinforced plastic and
- - The kinematics of electron irradiation, which can be one-sided, multi-sided and / or multi-dimensional (free-form surfaces).
Vorteilhafterweise werden eigenverstärkte Kunststoffe aus Thermoplasten auf Basis von Polypropylen, Polyethylen, Polybutylenterephthalat, Polycarbonat, Polyamid oder einer Mischung der genannten Stoffe verwendet. Diese allgemein verbreiteten Polymere bieten den Vorteil, dass vergleichsweise geringe Kosten für das Produktionsverfahren und die hergestellten Bauteile anfallen. Vorteilhafterweise können in dem erfindungsgemäßen Verfahren vor der Elektronenbestrahlung mit dem eigenverstärkten Kunststoff auch Verbundbauteile hergestellt werden, zum Beispiel durch thermoplastisches Hinterspritzen, thermoplastisches Schäumen und/oder optionales Metalleinlagern, wodurch die Bandbreite herstellbarer Bauteile vorteilhaft erhöht wird. Advantageously, self-reinforced thermoplastics based on polypropylene, polyethylene, polybutylene terephthalate, polycarbonate, polyamide or a mixture of the substances mentioned are used. These commonly used polymers offer the advantage that comparatively low costs are incurred for the production process and the components produced. Advantageously, composite components can also be produced in the process according to the invention prior to the electron irradiation with the self-reinforced plastic, for example by thermoplastic injection molding, thermoplastic foaming and / or optional metal insertion, whereby the bandwidth of manufacturable components is advantageously increased.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bauteil bestehend aus eigenverstärktem Kunststoff auf der Basis von Polybutylenterephthalat hergestellt wird, wobei nach Abschluss der Formgebung das entstandene Bauteil einer Elektronenstrahlvernetzung unterzogen wird. Als Bestrahlungsatmosphäre wird dabei Luft gewählt. Dies bietet den Vorteil, dass eine Oxidationsreaktion an der Bauteiloberfläche stattfindet, durch die das Bauteil zum einen verschleißresistenter wird und zum anderen bessere Lackhaftungseigenschaften erhält. Auf einen Zusatz von Vernetzungshilfsmitteln wird verzichtet und die Elektronenbestrahlung wird einseitig durchgeführt. Vorteilhafterweise wird so die Gesamtprozesszeit reduziert. Die Bestrahlungstemperatur wird zwischen 40 °C und 60 °C gewählt, insbesondere zwischen 49 °C und 51 °C, ganz besonders 50 °C. Diese Temperatur ist unter den gewählten Prozessparametern vorteilhaft für die Vernetzungsreaktion im Polymer. Die verwendete Strahlendosis liegt vorzugsweise zwischen 10–3 Gy/min und 10–6 Gy/min, besonders bevorzugt bei 10–4 Gy/min. Dadurch wird eine für die Reaktion vorteilhafte Eindringtiefe der Elektronen in den Werkstoff ermöglicht. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that a component is produced consisting of self-reinforced plastic based on polybutylene terephthalate, wherein after completion of the molding, the resulting component is subjected to electron beam crosslinking. Air is chosen as the irradiation atmosphere. This offers the advantage that an oxidation reaction takes place on the component surface, by means of which the component firstly becomes more resistant to wear and, on the other hand, receives better paint adhesion properties. An addition of crosslinking aids is dispensed with and the electron irradiation is carried out on one side. Advantageously, the overall process time is reduced. The irradiation temperature is chosen between 40 ° C and 60 ° C, in particular between 49 ° C and 51 ° C, especially 50 ° C. This temperature is advantageous for the crosslinking reaction in the polymer under the selected process parameters. The dose of radiation used is preferably between 10 -3 Gy / min and 10 -6 Gy / min, more preferably 10 -4 Gy / min. As a result, a penetration depth of the electrons which is advantageous for the reaction is made possible in the material.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Herstellung des eigenverstärkten Kunststoffes, ebenfalls Polybutylenterephthalat, ein Zusatz von Vernetzungshilfsmitteln erfolgt. Dies wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf die Stabilität des Bauteils aus. Im Zuge der Formgebung des Bauteils wird dieses mit einer thermoplastisch hinterspritzten Kunststoffverrippung versehen. Anschließend erfolgt die Elektronenstrahlvernetzung, wobei als Bestrahlungsatmosphäre ein Vakuum erzeugt wird. Durch das Vakuum werden Oxidationsreaktionen vorteilhafterweise unterbunden und die Formstabilität und Zugfestigkeit des Bauteils weiter erhöht. Die Bestrahlung erfolgt zweiseitig und die Bestrahlungstemperatur wird auf 0 °C bis 40 °C, insbesondere 15 °C bis 25 °C eingestellt. Diese Temperatur ist unter den gewählten Prozessparametern vorteilhaft für die Vernetzungsreaktion im Polymer. Die zweiseitige Bestrahlung bietet den Vorteil, dass bei Bauteilen mit großer Wandstärke eine deutliche Reduktion der Prozesszeit bewirkt wird. Die verwendete Strahlendosis liegt vorzugsweise zwischen 10–3 Gy/min und 10–6 Gy/min, besonders bevorzugt bei 10–4 Gy/min. Dadurch wird eine für die Reaktion vorteilhafte Eindringtiefe der Elektronen in den Werkstoff ermöglicht. In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that in the production of the self-reinforced plastic, also polybutylene terephthalate, an addition of crosslinking aids takes place. This additionally has an advantageous effect on the stability of the component. In the course of the shaping of the component, this is provided with a thermoplastic back-injected plastic ribbing. Subsequently, the electron beam crosslinking takes place, wherein a vacuum is generated as the irradiation atmosphere. Oxidation reactions are advantageously prevented by the vacuum and the dimensional stability and tensile strength of the component are further increased. The irradiation is two-sided and the irradiation temperature is set to 0 ° C to 40 ° C, in particular 15 ° C to 25 ° C. This temperature is advantageous for the crosslinking reaction in the polymer under the selected process parameters. The two-sided irradiation offers the advantage that a significant reduction of the process time is achieved for components with a large wall thickness. The dose of radiation used is preferably between 10 -3 Gy / min and 10 -6 Gy / min, more preferably 10 -4 Gy / min. As a result, a penetration depth of the electrons which is advantageous for the reaction is made possible in the material.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bauteil bestehend aus einer Deckschicht von eigenverstärktem thermoplastischen Polypropylen hergestellt wird und dieses eine thermoplastisch hinterspritzte Kunststoffverrippung mit Metalleinlegern erhält. Auf den Zusatz von Vernetzungshilfsmitteln im eigenverstärkten Kunststoff wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung verzichtet, um die Prozesszeit vorteilhaft zu reduzieren. Nach Abschluss der Formgebung und des Spritzgussprozesses erfolgt die Elektronenbestrahlung mit einer Strahlendosis vorzugsweise zwischen 10–3 Gy/min und 10–6 Gy/min, besonders bevorzugt von 10–4 Gy/min. Dadurch wird eine für die Reaktion vorteilhafte Eindringtiefe der Elektronen in den Werkstoff ermöglicht. Als Bestrahlungsatmosphäre wird Luft verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass eine Oxidationsreaktion an der Bauteiloberfläche stattfindet, durch die das Bauteil zum einen verschleißresistenter wird und zum anderen bessere Lackhaftungseigenschaften erhält. Die Bestrahlung erfolgt zweiseitig. Dies bietet den Vorteil, dass bei Bauteilen mit großer Wandstärke eine deutliche Reduktion der Prozesszeit bewirkt wird. Die Bestrahlungstemperatur wird auf 0 °C bis 40 °C, insbesondere 15 °C bis 25 °C eingestellt. Diese Temperatur ist unter den gewählten Prozessparametern vorteilhaft für die Vernetzungsreaktion im Polymer. Die verwendete Strahlendosis liegt vorzugsweise zwischen 10–3 Gy/min und 10–6 Gy/min, besonders bevorzugt bei 10–4 Gy/min. Dadurch wird eine für die Reaktion vorteilhafte Eindringtiefe der Elektronen in den Werkstoff ermöglicht. In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a component consisting of a cover layer of self-reinforced thermoplastic polypropylene is produced and this receives a thermoplastic injection-molded plastic ribbing with metal inserts. On the addition of crosslinking aids in self-reinforced plastic is omitted in this embodiment of the invention to reduce the process time advantageous. After completion of the molding and the injection molding process, the electron irradiation is carried out with a radiation dose preferably between 10 -3 Gy / min and 10 -6 Gy / min, more preferably from 10 -4 Gy / min. As a result, a penetration depth of the electrons which is advantageous for the reaction is made possible in the material. Air is used as the irradiation atmosphere. This offers the advantage that an oxidation reaction takes place on the component surface, by means of which the component firstly becomes more resistant to wear and, on the other hand, receives better paint adhesion properties. The irradiation is two-sided. This offers the advantage that a significant reduction of the process time is effected for components with a large wall thickness. The irradiation temperature is set at 0 ° C to 40 ° C, especially 15 ° C to 25 ° C. This temperature is advantageous for the crosslinking reaction in the polymer under the selected process parameters. The dose of radiation used is preferably between 10 -3 Gy / min and 10 -6 Gy / min, more preferably 10 -4 Gy / min. As a result, a penetration depth of the electrons which is advantageous for the reaction is made possible in the material.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein hybrides Bauteil aus einer Deckschicht von eigenverstärktem thermoplastischen Polyamid, dem Vernetzungshilfsmittel zugesetzt werden, und einer thermoplastisch hinterspritzten und geschäumten Kunststoffverrippung hergestellt wird. Die Zugabe von Vernetzungshilfsmitteln wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf die Stabilität des Bauteils aus. Nach Abschluss der Formgebung und des thermoplastischen Schaumspritzgussprozesses wird die Elektronenbestrahlung vorgenommen und dabei Stickstoff als Bestrahlungsatmosphäre verwendet. Dadurch werden Oxidationsreaktionen vorteilhafterweise unterbunden und die Formstabilität und Zugfestigkeit des Bauteils weiter erhöht. Die Bestrahlung erfolgt mehrdimensional. Dadurch, dass die Elektronen von vielen verschiedenen Seiten in den Werkstoff eindringen können, wird die Prozesszeit und damit die eingetragene Gesamtenergie beziehungsweise Temperatur im Bauteil reduziert. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den zeitlichen Aufwand das Verzugsverhalten aus. Die Bestrahlungstemperatur wird auf 0 °C bis 40 °C, insbesondere 15 °C bis 25 °C eingestellt. Diese Temperatur ist unter den gewählten Prozessparametern vorteilhaft für die Vernetzungsreaktion im Polymer. Die verwendete Strahlendosis liegt vorzugsweise zwischen 10–3 Gy/min und 10–6 Gy/min, besonders bevorzugt bei 10–4 Gy/min. Dadurch wird eine für die Reaktion vorteilhafte Eindringtiefe der Elektronen in den Werkstoff ermöglicht. In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a hybrid component is produced from a cover layer of self-reinforced thermoplastic polyamide, to which crosslinking aids are added, and a thermoplastic back-injected and foamed plastic ribbing. The addition of crosslinking aids additionally has an advantageous effect on the stability of the component. Upon completion of the molding and the thermoplastic foam injection molding process, electron irradiation is performed using nitrogen as the irradiation atmosphere. As a result, oxidation reactions are advantageously prevented and the dimensional stability and tensile strength of the component further increased. The irradiation is multidimensional. The fact that the electrons can penetrate from many different sides into the material, the process time and thus the total energy input or temperature is reduced in the component. This has an advantageous effect on the time required for the delay behavior. The irradiation temperature is set at 0 ° C to 40 ° C, especially 15 ° C to 25 ° C. This temperature is advantageous for the crosslinking reaction in the polymer under the selected process parameters. The dose of radiation used is preferably between 10 -3 Gy / min and 10 -6 Gy / min, more preferably 10 -4 Gy / min. As a result, a penetration depth of the electrons which is advantageous for the reaction is made possible in the material.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, sowie ein Kraftfahrzeug, das mindestens ein Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, umfasst. The present invention further relates to a component which has been produced by the method according to the invention, and to a motor vehicle which comprises at least one component which has been produced by the method according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Elektronenquelle electron source
- 12 12
- Elektronenstrahlsteuerung electron beam control
- 14 14
- Elektronenbestrahlung electron irradiation
- 16 16
- Bauteiloberfläche component surface
- 18 18
- Bauteil component
- 20 20
- Bestrahlungsatmosphäre irradiation atmosphere
- 22 22
- Bestrahlungstemperatur (Temperaturbereich) Irradiation temperature (temperature range)
- 24 24
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- 26 26
- Außenspiegelgehäuse Exterior mirror housings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011013372 A1 [0005] DE 102011013372 A1 [0005]
Claims (10)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102014221929.9A DE102014221929A1 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Process for the production of components consisting of self-reinforced plastics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102014221929.9A DE102014221929A1 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Process for the production of components consisting of self-reinforced plastics |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102014221929.9A Ceased DE102014221929A1 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Process for the production of components consisting of self-reinforced plastics |
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| Country | Link |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995006148A1 (en) * | 1993-08-20 | 1995-03-02 | Smith & Nephew Richards, Inc. | Self-reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composites |
| DE102011013372A1 (en) | 2011-03-09 | 2012-09-13 | Jacob Plastics Gmbh | Method for producing a component |
| US20140272165A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | Baker Hughes Incorporated | Methods of forming modified thermoplastic structures for down-hole applications, and related down-hole tools |
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2014
- 2014-10-28 DE DE102014221929.9A patent/DE102014221929A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995006148A1 (en) * | 1993-08-20 | 1995-03-02 | Smith & Nephew Richards, Inc. | Self-reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composites |
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| US20140272165A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | Baker Hughes Incorporated | Methods of forming modified thermoplastic structures for down-hole applications, and related down-hole tools |
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