DE102015208946A1

DE102015208946A1 - Kunststoffbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102015208946A1
Application number: DE102015208946.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Baier; Marcus Schuck
Original assignee: HBW-GUBESCH THERMOFORMING GmbH
Current assignee: HBW-GUBESCH THERMOFORMING GmbH
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Kunststoffbauteil (1) umfasst eine Dekorlage (2), die durch ein folienartiges Insert (3) gebildet ist, und eine Verstärkungslage (4), die mit thermoplastischem Kunststoff imprägnierte Endlosfasern (5) aufweist. Des Weiteren umfasst das Kunststoffbauteil (1) eine Trägerlage (7), die aus thermoplastischem Kunststoff gebildet ist. Verfahrensgemäß wird das Kunststoffbauteil (1) in einem In-Mould-Verfahren hergestellt, indem die Dekorlage (2) und die Verstärkungslage (4) in einem Werkzeug (14) durch Einbringen thermoplastischer Kunststoffschmelze, die die Trägerlage (7) ausbildet, miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kunststoffbauteil. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffbauteils.
Kunststoffbauteile werden heutzutage in vielen unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise im Automobilbau, im Flugzeugbau und dergleichen eingesetzt. Kunststoff hat gegenüber insbesondere im Automobil- und Flugzeugbau üblichen Materialien wie insbesondere Metallen den Vorteil, dass Kunststoff eine geringere Dichte aufweist und vergleichsweise günstig ist. Strukturbauteile aus Kunststoff werden bisher meist nur in besonders hochwertigen Personenkraftfahrzeugen (insbesondere in Rennsportfahrzeugen) oder Flugzeugen und vorzugsweise in Form endlosfaserverstärkter duroplastischer Bauteile eingesetzt, die meist in Handarbeit gefertigt und deshalb verhältnismäßig teuer sind. Günstiger zu verarbeitende thermoplastische Kunststoffe kommen dagegen meist nur in dekorativen Bauteilen (Dekorbauteilen) oder Bauteilen ohne tragende Funktionen zum Einsatz.
Unter „Endlosfasern“ werden hier und im Folgenden zur Verstärkung (d. h. zur Erhöhung der Steifigkeit und/oder Festigkeit des Kunststoffbauteils) eingesetzte Fasern verstanden, deren Länge meist größer 50 Millimeter beträgt und vorzugsweise lediglich durch die Bauteilabmessungen begrenzt ist. Im Gegensatz zu Endlosfasern weisen sogenannte Kurzfasern eine Länge im Bereich weniger Millimeter (beispielsweise 0,2 bis 2 Millimeter) auf, insbesondere eine Länge im Bereich des etwa 10 bis 50-fachen ihres Faserdurchmessers. Des Weiteren wird auch der Begriff „Langfaser“ verwendet. Die Länge einer Langfaser liegt zwischen derjenigen der Kurzfasern und der Endlosfasern, insbesondere im Bereich weniger (ca. 0,5 bis 5) Zentimeter. Mit Langfasern oder Kurzfasern gefüllte thermoplastische Kunststoffe können insbesondere schmelzflüssig durch Spritzgießen und vergleichbare Fertigungsverfahren verarbeitet werden, ohne dass (zumindest bei einer ersten Verarbeitung der Fasern) ein sich auf die Bauteileigenschaften (negativ) auswirkender Abbau der ursprünglichen Faserlänge eintritt.
Unter „Strukturbauteil“ wird hier und im Folgenden ein Bauteil verstanden, das in einem Gesamtverbund mehrerer Bauteile eine tragende Funktion übernehmen kann. Unter tragender Funktion wird dabei verstanden, dass das jeweilige Bauteil andere, in ihrer Funktion untergeordnete Elemente trägt und dabei insbesondere extern eingeleitete Kräfte aufnehmen, ab- und/oder weiterleiten kann. Strukturbauteile, die im Betrieb vergleichsweise hohe Lasten aufnehmen, sind im Automobilbau beispielsweise Radaufhängungen, Querträger oder dergleichen, im Flugzeugbau Holme eines Flügels oder ein Rotorkranz eines Hubschraubers. Dekorbauteile sind meist mit einer ästhetisch ansprechenden Oberfläche (Metall-, Holzoptik oder dergleichen) ausgestattete Verkleidungsteile im (Fahrzeug-)Innenraum oder an Fahrzeugaußenflächen.
Solche Dekorbauteile werden oft in einem sogenannten In-Mould-Verfahren gefertigt, bei dem eine Dekorschicht in einem (allgemein als Spritzgießwerkzeug bezeichneten) Gieß-Werkzeug mit einem Substrat – einer Tragschicht für die Dekorschicht – „hinterfüttert“ wird. Darunter wird insbesondere verstanden, dass auf die üblicherweise flächige Dekorschicht in einer die Außenkontur des späteren Bauteils definierenden Kavität des Spritzgießwerkzeugs schmelzflüssiger thermoplastischer Kunststoff aufgebracht wird. Die Kunststoffschmelze wird dabei beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzprägen, Hinterpressen oder auch durch Thermoplastschaumgießen auf die „Rückseite“ der Dekorschicht aufgebracht und verteilt. Da die geometrische Stabilität der Dekorschicht durch das Substrat sichergestellt wird, kann die Dekorschicht (im Hinblick auf die Abmessungen des Bauteils) sehr dünn ausgeführt werden und deshalb auch ein vergleichsweise teures Material oder zumindest eine teure Farbe aufweisen. Für das im bestimmungsgemäßen Einbauzustand nicht sichtbare Substrat kann dagegen ein preisgünstiger Kunststoff, häufig mit einem Anteil Rezyklatmaterial, verwendet werden.
Um eine hinreichende geometrische Stabilität gewährleisten zu können, weisen solche Dekorbauteile, insbesondere deren Tragstrukturen meist eine Wandstärke von mehreren Millimetern auf, beispielsweise von 3 Millimetern und mehr, die wiederum zu einem vergleichsweise hohen Gewicht führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kunststoffbauteil bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung eines Kunststoffbauteils erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich eines Kunststoffbauteils wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 18. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorzugsweise als In-Mould-Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils, vorzugsweise eines mit einem Insert dekorierten Kunststoffbauteils. Im Rahmen dieses In-Mould-Verfahrens wird ein folienartiges Insert in eine Kavität eines geöffneten Werkzeugs eingebracht. Des Weiteren wird eine aus Endlosfasern gebildete Faserlage, die zur Ausbildung einer (mit Kunststoff imprägnierten) Verstärkungslage des Kunststoffbauteils dient, in das geöffnete Werkzeug eingebracht. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und (nach dem Schließen) eine thermoplastische Kunststoffschmelze durch einen Anspritzpunkt des Werkzeugs hindurch in die Kavität eingebracht. Durch die Kunststoffschmelze wird eine Trägerlage ausgebildet, die (mittelbar oder unmittelbar) das Insert als Dekorlage und die Faserlage als Verstärkungslage trägt. Vorzugsweise wird durch das Einbringen der Kunststoffschmelze auch der Bauteilverbund der einzelnen Lagen untereinander (insbesondere in einem Werkzeug) hergestellt. Anschließend werden vorzugsweise die Kunststoffschmelze auf Entformungstemperatur abgekühlt, das Werkzeug geöffnet und das Kunststoffbauteil entformt.
Unter einem „folienartigen Insert“ wird hier und im Folgenden ein insbesondere flächiges Einlegeteil verstanden, das im Vergleich zu seiner Oberfläche und/oder zur Wandstärke des Kunststoffbauteils dünnwandig ist, und das einen Teil des fertigen Kunststoffbauteils bildet. Deshalb wird das erfindungsgemäße (In-Mould-)Verfahren vorzugsweise auch als Insert-Moulding-Verfahren bezeichnet. Das Insert ist insbesondere durch eine Folie gebildet, die bevorzugt mehrschichtig aufgebaut ist. Vorzugsweise weist das Insert eine Dekorschicht auf, die beispielsweise als (gedruckte) Farbschicht auf einer insbesondere aus Kunststoff gebildeten Trägerfolie (auch als Backing-Folie bezeichnet) ausgeführt ist. Alternativ ist das Insert, insbesondere die gegebenenfalls vorhandene Dekorschicht durch eine metallische Folie oder ein Holzfurnier gebildet. Im Rahmen der Erfindung kann das Insert bzw. die Dekorschicht auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Leder(-Imitat) gebildet sein. Für den Fall, dass die Dekorschicht durch eine metallische Folie, ein Holzfurnier oder Leder(-Imitat) gebildet ist, weist das Insert optional ebenfalls eine Trägerfolie (Backing-Folie) auf, die auf eine Rückseite der Dekorschicht aufgebracht ist. Als Oberflächenschutz für die Sichtseite (Vorderseite) des Inserts, insbesondere der gegebenenfalls vorhandenen Dekorschicht umfasst das Insert weiterhin optional eine Deckschicht aus Kunststoff(-folie).
Für die Faserlage werden vorzugsweise aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid hergestellte Endlosfasern herangezogen, die entsprechend als Glasfasern, Carbonfasern bzw. Aramidfasern bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich werden für die Faserlage auch Naturfasern, beispielsweise Hanf und/oder Sisal herangezogen. Optional ist die Faserlage durch eine Kombination solcher Endlosfasern gebildet.
Unter dem Begriff (Spritzgieß-)„Werkzeug“ wird hier und im Folgenden eine Art Gießform verstanden, die insbesondere aus zwei Werkzeughälften gebildet ist. Im Bereich einer Trennebene, in der sich die beiden Werkzeughälften im geschlossenen Zustand berühren, ist dabei die die Außenkontur des Kunststoffbauteils definierende Kavität (d.h. eine Negativ-Form) ausgebildet. Im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand des Werkzeugs ist dieses vorzugsweise auf einer (Thermoplast)-Spritzgießmaschine montiert. Eine der beiden Werkzeughälften ist dabei an einer ortsfesten (unbeweglichen) Montageplatte gehaltert, die meist einem zum Aufschmelzen des Kunststoffs dienenden Plastifizieraggregat der Spritzgießmaschine zugeordnet ist, und wird deshalb im Folgenden als „unbewegliche“ Werkzeughälfte bezeichnet. Die andere Werkzeughälfte ist an einer zum Schließen des Werkzeugs mittels einer Schließvorrichtung der Spritzgießmaschine bewegbaren (und meist dem Plastifizieraggregat der Spritzgießmaschine gegenüberliegenden) Montageplatte gehaltert und wird im Folgenden als „bewegliche“ Werkzeughälfte bezeichnet.
Unter „Imprägnieren“ wird hier und im Folgenden das Benetzen oder „Ummanteln“ der Endlosfasern mit dem thermoplastischen Kunststoff verstanden. Vorzugsweise sind dabei alle Endlosfasern vollständig von thermoplastischem Kunststoff umgeben. Fertigungsbedingt ist es im Rahmen der Erfindung aber möglich, dass die Endlosfasern nicht vollständig, aber zumindest zu einem Großteil von dem Kunststoff umgeben sind.
Bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe werden regelmäßig kurze Fertigungszeiten pro Bauteil erreicht, so dass durch das erfindungsgemäße (Insert-Moulding-)Verfahren eine einfache und schnelle Fertigung eines erfindungsgemäß endlosfaserverstärkten und dekorierten Kunststoffbauteils möglich ist. Aufgrund der Endlosfaserverstärkung des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils, konkret aufgrund dessen Endlosfasern aufweisender Verstärkungslage, ist die Bauteilfestigkeit des Kunststoffbauteils besonders hoch. Insbesondere ist die Bauteilfestigkeit gegenüber herkömmlicherweise durch Hinterfüttern einer Dekorschicht gebildeten Dekorbauteilen signifikant gesteigert. Insbesondere ist es aufgrund der Endlosfaserverstärkung möglich, die aus thermoplastischem Kunststoff gebildete Trägerlage im Vergleich zu üblichen Dekorbauteilen mit geringerer Wandstärke und somit geringerem Gewicht bei gleichzeitig gleicher oder sogar höherer Bauteilfestigkeit auszubilden. Durch die reduzierte Wandstärke der Trägerlage sind wiederum eine Materialersparnis und damit auch eine kostengünstige Fertigung möglich. Ferner ist es aufgrund der Endlosfaserverstärkung vorteilhafterweise außerdem möglich, das Kunststoffbauteil als Strukturbauteil mit Designfunktion (d. h. sichtbar und optisch ansprechend gestaltet), zumindest aber als sogenanntes „Semi-Strukturbauteil“ einzusetzen. Semi-Strukturbauteile sind regelmäßig zur Aufnahme geringerer Kräfte im Vergleich zu Strukturbauteilen (z. B. einer Sitzschale eines Kraftfahrzeugs) vorgesehen und/oder übernehmen nebengeordnete tragende Funktionen. Beispielsweise stellt ein sogenannter Instrumententafelträger eines Kraftfahrzeugs ein solches Semi-Strukturbauteil dar. Somit ist eine Funktionsintegration mehrerer Bauteile in ein einzelnes Bauteil möglich. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Einsparung von zusätzlichen (Struktur-)Bauteilen und somit zu einer Einsparung von Bauraum und Gewicht bei einer übergeordneten Konstruktion.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Endlosfasern der Faserlage erst durch die im Insert-Moulding-Verfahren eingebrachte thermoplastische Kunststoffschmelze imprägniert (benetzt) werden und dadurch die mit Kunststoff „getränkte“ Verstärkungslage des Kunststoffbauteils ausbilden. In diesem Fall wird die Faserlage im „trockenen“ (d.h. unbenetzten) Zustand beispielsweise als Faserhalbzeug (z. B. ein vorkonfektioniertes, „trockenes“ Gelege oder Gewebe aus Endlosfasern) in das Werkzeug eingebracht. In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird allerdings als Faserlage mindestens ein Faserverbundhalbzeug herangezogen, das aus in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebetteten (d. h. mit deren Kunststoff imprägnierten) Endlosfasern gebildet ist. Bei einem solchen Faserverbundhalbzeug handelt es sich beispielsweise um ein Organoblech (das vorzugsweise durch wenigstens eine Schicht eines Endlosfasergewebes gebildet ist), ein durch unidirektional ausgerichtete Endlosfasern gebildetes UD-Tape oder ein (vor-)imprägniertes (Wirr-faser-)Vlies. Derartige Faserverbundhalbzeuge weisen vorteilhafterweise eine zumindest nahezu vollständige Imprägnierung der Endlosfasern auf, so dass ein besonders guter Verbund zwischen dem in das Werkzeug eingebrachten Kunststoff und den Endlosfasern und somit eine hohe Bauteilfestigkeit ermöglicht wird.
Unter „mindestens ein“ Faserverbundhalbzeug wird hier und im Folgenden verstanden, dass – je nach geforderter mechanischer Stabilität des Kunststoffbauteils – entweder ein einzelnes Faserverbundhalbzeug oder optional mehrere Schichten eines Faserverbundhalbzeugs (d. h. der gleichen Art von Faserverbundhalbzeug) oder auch unterschiedlicher Faserverbundhalbzeuge (beispielsweise mehrere Schichten UD-Tape oder alternativ eine Kombination von UD-Tape mit einem Faservlies oder von Organoblech mit UD-Tape) vor dem Einbringen in das Werkzeug übereinander gelegt werden. Dabei kann durch eine unterschiedliche Ausrichtung der einzelnen übereinandergeschichteten Faserverbundhalbzeuge (d. h. insbesondere der Faserrichtung der jeweiligen Endlosfasern) vorteilhafterweise die Bauteilfestigkeit richtungsabhängig eingestellt werden.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird das oder jedes Faserverbundhalbzeug vorzugsweise vor dem Einbringen in das Werkzeug, zumindest vor dem Schließen des Werkzeugs vorgeheizt. Insbesondere wird das oder jedes Faserverbundhalbzeug dabei derart erwärmt, dass es beim Schließen des Werkzeugs wenigstens einen als Umformtemperatur bezeichneten Temperaturwert aufweist. Diese Umformtemperatur ist dabei abhängig von dem zur Imprägnierung der Endlosfasern verwendeten Kunststoff, und derart hoch, dass eine plastische Verformung des Faserverbundhalbzeugs ohne Zerstörung der Fasern und/oder der Kunststoffmatrix möglich ist. Um eine unerwünschte Deformation – insbesondere ein „Zusammenfallen“ – des vorgeheizten Faserverbundhalbzeugs zu verhindern, wird das Faserverbundhalbzeug (oder der aus mehreren Faserverbundhalbzeugen gebildete Faser-Schichtverbund) vorzugsweise mittels eines Spannrahmens oder einer Handhabungseinrichtung (z. B. ein Industrieroboter mit einem entsprechend gestalteten Greifer) in das Werkzeug eingebracht. Das Vorheizen erfolgt insbesondere durch einen oder mehrere Infrarotstrahler, alternativ in einem Umluftofen oder durch Kontakt mit einer Heizfläche.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das oder jedes Faserverbundhalbzeug beim Schließen des Werkzeugs vorzugsweise in eine dreidimensionale Form, insbesondere in eine (vergleichsweise steife) Schalenform umgeformt.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird das insbesondere vorgewärmte Faserverbundhalbzeug (bzw. der Faser-Schichtverbund) beim Schließen des Werkzeugs an das Insert angedrückt. Dadurch kann sich der erweichte Kunststoff des Faserverbundhalbzeugs an die rückseitige Oberfläche des Inserts anlegen. Optional wird dabei durch das Andrücken vorteilhafterweise auch eine stoffschlüssige Haftung zwischen dem Faserverbundhalbzeug und dem Insert ausgebildet. Vorzugsweise wird das Werkzeug nach dem Andrücken des Faserverbundhalbzeugs und vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze für die Trägerlage geringfügig geöffnet, so dass vorteilhafterweise ein rückseitig zu der Faserlage (bzw. dem Faserverbundhalbzeug) angeordnetes Bauteilvolumen für die Trägerlage ausgebildet wird. Dieser Vorgang wird auch als „Atmen“ des Werkzeugs bezeichnet. Insbesondere wird hierfür ein sogenanntes Tauchkantenwerkzeug oder ein Werkzeug mit einem separat beweglichen Stempel verwendet, so dass die Kavität trotz der Öffnungsbewegung in der Trennebene abgedichtet bleibt. Vorzugsweise atmet das Werkzeug um wenige Millimeter, beispielsweise um 0,5–2 Millimeter.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird das Insert vor dem Einbringen in die Kavität zugeschnitten. Vorzugsweise wird das Insert dabei derart zugeschnitten, dass es vollständig in der Kavität einliegt. Dabei wird es in der Kavität, insbesondere an einer Oberfläche der Kavität beispielsweise durch einen Unterdruck oder durch elektrostatische Aufladung des Werkzeugs gehalten. Vorzugsweise werden die Ränder des Inserts in den Kunststoff des Faserverbundhalbzeugs und/oder den (insbesondere zur Ausbildung der Trägerlage) eingebrachten Kunststoff eingebettet. Dadurch kann vorteilhafterweise ein nachträgliches Besäumen des Inserts und/oder des Kunststoffbauteils (nach dem Entformen) entfallen.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird das Insert vor dem Einbringen in die Kavität vorgewärmt. Im Rahmen der Erfindung ist es in diesem Fall denkbar, dass das Insert beim Schließen des Werkzeugs umgeformt, insbesondere tiefgezogen und an die Oberfläche der Kavität angeformt wird. Vorzugsweise ist das Insert beim Einbringen in das Werkzeug aber bereits vorgeformt. In diesem Fall kann das Insert aufgrund der Vorwärmung beim Schließen des Werkzeugs und/oder insbesondere beim Einbringen der Kunststoffschmelze noch restlich und besonders präzise an die Oberfläche der Kavität angeformt werden.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens wird in dem Fall, dass das Insert vorgewärmt ist, beim Schließen des Werkzeugs und Andrücken der Faserlage ein Teil der Endlosfasern der Faserlage in eine der Faserlage zugewandte Rückseite des Inserts eingedrückt. Bei diesem Teil der Endlosfasern handelt es sich insbesondere um einen freiliegenden oder einen (durch teilweises Abtragen der Kunststoffmatrix) freigelegten Teil der Endlosfasern des – bei mehreren geschichteten Faserverbundhalbzeugen obersten – Faserverbundhalbzeugs. Vorzugsweise wird hierzu das Insert derart vorgewärmt, dass insbesondere die Backing-Folie Umformtemperatur aufweist. Beim Andrücken des Faserverbundhalbzeugs werden die Endlosfasern dann teilweise von der erweichten Backing-Folie umflossen und in diese eingebettet. Dadurch wird ein Formschluss, insbesondere eine „Verkrallung“ zwischen dem Insert und der Faserlage, insbesondere dem Faserverbundhalbzeug ermöglicht. Somit kann vorteilhafterweise auch ein Insert mit einem Faserverbundhalbzeug verbunden werden, dessen die Matrix bildender Kunststoff zu dem Kunststoff der Backing-Folie inkompatibel ist und folglich zu dieser keine stoffschlüssige Haftung ausbilden kann. Optional kann aber auch bei kompatiblen Kunststoffen derart die Haftung zwischen dem Insert und dem Faserverbundhalbzeug erhöht werden.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens die Oberfläche der der Faserlage zugewandten Rückseite des Inserts vor dem Schließen des Werkzeugs aktiviert. Dies ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, dass der Kunststoff des Inserts, insbesondere dessen Backing-Folie, zu dem Kunststoff der Matrix des Faserverbundhalbzeugs inkompatibel ist oder der Kunststoff der Backing-Folie unpolar ist. Vorzugsweise wird die Rückseite des Inserts dabei durch eine Plasmabehandlung – beispielsweise durch ein sogenanntes Corona-Verfahren – oder durch Beflammen aktiviert, wodurch polare Gruppen in die Oberfläche des Inserts eingebracht werden. Dadurch wird die Haftung von polaren Kunststoffen an dem Insert verbessert. Alternativ zu der Aktivierung ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, dass die Rückseite des Inserts (vor dem Einbringen in das Werkzeug) mit einer vergleichsweise dünnen Kunststoffschicht hinterspritzt wird, die zu dem Kunststoff des Inserts und dem Kunststoff des Faserverbundhalbzeugs kompatibel ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Rückseite des Inserts insbesondere nach dem Einbringen in die Kavität aktiviert. Dadurch wird vorteilhafterweise das Risiko, dass die bereits aktivierte Oberfläche bei der Lagerung und/oder Handhabung des Inserts verschmutzt, verringert.
Im Rahmen der Erfindung ist es grundsätzlich denkbar, dass die Trägerlage (d. h. die zu deren Ausbildung dienende Kunststoffschmelze) zwischen das Insert und die Faserlage (bzw. das Faserverbundhalbzeug oder der Faser-Schichtverbund) eingebracht, insbesondere in einem Spritzgießprozess eingespritzt wird. In diesem Fall trägt die Trägerlage die Dekorlage unmittelbar. In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird allerdings die thermoplastische Kunststoffschmelze zur Ausbildung der Trägerlage auf eine von dem Insert abgewandte Rückseite der Faserlage, insbesondere des (bei gegebenenfalls mehreren geschichteten Faserverbundhalbzeugen rückwärtigen) Faserverbundhalbzeugs aufgebracht wird.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird dabei ein Anpressdruck, der zur Ausbildung einer insbesondere stoff- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen dem Faserverbundhalbzeug und dem Insert erforderlich ist, mittels der eingebrachten Kunststoffschmelze aufgebracht. Das heißt, dass insbesondere das Faserverbundhalbzeug aufgrund eines Einspritz- und/oder Nachdrucks der Kunststoffschmelze, die sich jeweils im sogenannten Werkzeuginnendruck niederschlagen, derart an die Rückseite des Inserts angepresst wird, dass sich eine stoffschlüssige – im Fall der Einbettung der Endlosfasern in die Backing-Folie auch eine formschlüssige – Verbindung ausbildet.
Alternativ zu dem An- und gegebenenfalls Einpressen des Faserverbundhalbzeugs an bzw. in das Insert wird in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens nach dem Schließen des Werkzeugs mittels eines weiteren Anspritzpunkts in dem Werkzeug, insbesondere in dessen Kavität, eine weitere thermoplastische Kunststoffschmelze zur Ausbildung einer Zwischenlage zwischen das Insert und die Faserlage, insbesondere das Faserverbundhalbzeug eingebracht. Vorzugsweise wird dazu beim Schließen des Werkzeugs die Faserlage bzw. das Faserverbundhalbzeug nicht an das Insert angedrückt sondern ein Spalt zwischen dem Insert und der Faserlage vorgehalten. In diesen Spalt wird die Kunststoffschmelze für die Zwischenlage eingebracht, vorzugsweise eingespritzt. Der hierfür vorgesehene (weitere) Anspritzpunkt ist dazu in oder nahe der Trennebene des Werkzeugs positioniert, so dass die Kunststoffschmelze von der Seite zwischen das Insert und die Faserlage eingespritzt wird. Durch die Zwischenlage werden vorteilhafterweise faserbedingte Welligkeiten der Faserlage bzw. des Faserverbundhalbzeugs – die häufig bei Fasergeweben aufgrund der Ondulation der Fasern auftreten – ausgeglichen, so dass sich diese nicht in der Oberfläche des Inserts und damit auf der Sichtfläche des Kunststoffbauteils abbilden. Außerdem kann zudem vorteilhafterweise ein zu dem Insert und dem Faserverbundhalbzeug kompatibler Kunststoff herangezogen werden, so dass (für den Fall, dass die Kunststoffe des Inserts und des Faserverbundhalbzeugs untereinander inkompatibel sind) die Zwischenlage als Haftlage das Insert an dem Faserverbundhalbzeug hält.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens atmet das Werkzeug nach dem Ausbilden (insbesondere nach dem seitlichen Einspritzen) der Zwischenlage und vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze für die Trägerlage, so dass vorteilhafterweise das Bauteilvolumen für die Trägerlage ausgebildet wird.
In einer weiteren alternativen Ausführung des Verfahrens wird die Kunststoffschmelze derart in die Kavität eingebracht, dass zur Ausbildung der Trägerlage und der Zwischenlage die Faserlage, insbesondere das Faserverbundhalbzeug oder gegebenenfalls der Faser-Schichtverbund, von der Kunststoffschmelze durchströmt wird. Mit anderen Worten wird lediglich einmal Kunststoffschmelze (vorzugsweise durch einen Anspritzpunkt) eingespritzt. Je nach Positionierung des Anspritzpunkts in der Kavität wird ein Teil der Kunststoffschmelze zur Ausbildung der Zwischenlage von der Rückseite des vorzugsweise eingesetzten Faserverbundhalbzeugs nach vorne durch das Faserverbundhalbzeug hindurch gespritzt, oder von der Seite der Zwischenlage her zur Rückseite hindurch. Der andere Teil der Kunststoffschmelze verbleibt auf der „Anspritzseite“ und bildet dort die entsprechende Lage aus. Die Trägerlage und die Zwischenlage werden somit gemeinsam (in einem „Schuss“, d.h. durch Einspritzen einer einzigen Kunststoffmasse durch vorzugsweise ein und denselben Anspritzpunkt) ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei auch denkbar, dass die Kunststoffschmelze das Faserverbundhalbzeug zur Ausbildung der Trägerlage und der Zwischenlage mehrfach (d. h. beispielsweise von hinten nach vorne und zurück) durchströmt. Um das Durchströmen des Faserverbundhalbzeugs zu erleichtern, werden insbesondere nach dem Vorheizen ein Loch oder gegebenenfalls mehrere Löcher in das Faserverbundhalbzeug eingebracht.
In einer zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird die (oder jede) Kunststoffschmelze in das Werkzeug eingespritzt und somit die Trägerlage und gegebenenfalls die Zwischenlage durch Spritzgießen ausgebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich also insbesondere um ein Spritzgießverfahren. Optional erfolgt nach dem Einspritzen der Kunststoffschmelze ein „Prägehub“ des Werkzeugs (z. B. ein weiteres Schließen). In diesem Fall handelt es sich bei dem Verfahren insbesondere um ein Spritzprägeverfahren.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird für die einzelnen Lagen – d. h. für die Kunststoffmatrix des Faserverbundhalbzeugs, für die Trägerlage, vorzugsweise für das Insert, insbesondere dessen gegebenenfalls vorhandene Backing-Folie, sowie auch für die gegebenenfalls vorgesehene Zwischenlage – jeweils ein (zu der benachbarten Lage) kompatibler thermoplastischer Kunststoff herangezogen. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Stoffschluss zwischen den einzelnen Lagen ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei denkbar, dass der Kunststoff für die Zwischenlage zu dem Kunststoff des Inserts und dem des Faserverbundhalbzeugs und dieser wiederum zu dem Kunststoff der Trägerlage kompatibel ist, während die Kunststoffe der Zwischenlage und der Trägerlage untereinander inkompatibel sind.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird für die einzelnen Lagen als kompatibler Kunststoff insbesondere der gleiche thermoplastische Kunststoff herangezogen. Dadurch wird auf besonders einfache Weise ein Stoffschluss zwischen den einzelnen Lagen und somit eine besonders hohe Bauteilfestigkeit ermöglicht. Unter „gleicher Kunststoff“ wird hier und im Folgenden verstanden, dass es sich um die gleiche Kunststoffsorte handelt. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Kunststoff (d. h. der Kunststoffsorte) um Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Acrynitril-Butadien-Styrol (ABS), Polybuthylenterephtalat (PBT), Polycarbonat (PC und dessen „Blends“) oder um Polymethylmethacrylat (PMMA). Für die jeweilige Lage (bzw. Folie) kann dieser Kunststoff im Rahmen der Erfindung aber auch jeweils unterschiedlich gefärbt und/oder mit unterschiedlichen Füll- und/oder Verstärkungsstoffen (Kurzfasern, Metallpartikel und dergleichen) gefüllt sein.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird für die Trägerlage sowie für die gegebenenfalls vorhandene Zwischenlage als Kunststoff insbesondere ein kurzfaser-verstärkter Kunststoff (auch als kurzfaser-gefüllter Kunststoff bezeichnet) herangezogen. Dadurch wird die Steifigkeit der Trägerlage (sowie gegebenenfalls der Zwischenlage) vorteilhaft erhöht. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, dass mit Langfasern gefüllter Kunststoff für die Trägerlage und gegebenenfalls für die Zwischenlage verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil ist nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren, insbesondere nach dem vorstehend beschriebenen Insert-Moulding-Verfahren hergestellt. Das heißt, dass das Kunststoffbauteil die Dekorlage umfasst, die durch das folienartige Insert gebildet ist. Des Weiteren umfasst das Kunststoffbauteil die Verstärkungslage, die mit thermoplastischem Kunststoff imprägnierte Endlosfasern aufweist und die aus der vorstehend beschriebenen, in das Werkzeug eingelegten Faserlage ausgebildet ist. Außerdem umfasst das Kunststoffbauteil die aus thermoplastischem Kunststoff gebildete Trägerlage.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Trägerlage auf der von der Dekorlage abgewandten Rückseite der Verstärkungslage angeordnet.
In einer zweckmäßigen Ausführung handelt es sich bei der Trägerlage insbesondere um eine dreidimensionale Stützstruktur, die vorzugsweise rückseitig zu der Verstärkungslage angeordnet ist. Die Trägerlage weist dabei vorteilhafterweise eine Anzahl von Versteifungsrippen auf, die zusätzlich zu der Verstärkungslage (insbesondere aufgrund einer Erhöhung der Flächenträgheitsmomente des Kunststoffbauteils) zu einer Steigerung der Biege- und/oder Torsionssteifigkeit beitragen. Diese Verstärkungsrippen können sich im Rahmen der Erfindung auch kreuzen. Des Weiteren umfasst die Trägerlage zweckmäßigerweise auch eine Anzahl von Verbindungselementen (z. B. einen Schraubdom, einen Schnapphaken oder dergleichen), mittels derer eine Anbindung des Kunststoffbauteils an ein benachbartes Bauteil ermöglicht wird.
Um insbesondere faserbedingte Welligkeiten der Verstärkungslage ausgleichen zu können und eine glatte Oberfläche des Kunststoffbauteils (auch als „Class-A“-Oberfläche bezeichnet) zu ermöglichen, weist das Kunststoffbauteil in einer weiteren zweckmäßigen Ausführung die zwischen der Dekorlage und der Verstärkungslage angeordnete Zwischenlage aus thermoplastischem Kunststoff auf. Vorzugsweise ist diese Zwischenlage in dem gleichen Insert-Moulding-Verfahren, insbesondere in der gleichen Kavität des Werkzeugs gefertigt wie die Trägerlage.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Verstärkungslage insbesondere durch mindestens eines der vorstehend beschriebenen Faserverbundhalbzeuge gebildet.
Zweckmäßigerweise weisen die Verstärkungslage und die Trägerlage sowie gegebenenfalls die Zwischenlage einen jeweils zu dem Kunststoff der benachbarten Lage kompatiblen thermoplastischen Kunststoff auf.
In einer bevorzugten Ausführung weisen diese Lagen den gleichen thermoplastischen Kunststoff auf. Vorzugsweise ist auch das Insert, zumindest dessen gegebenenfalls vorhandene Backing-Folie durch diesen Kunststoff gebildet.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst das Kunststoffbauteil wenigstens einen als Metalleinleger bezeichneten metallischen Körper. Bei diesem Metalleinleger handelt es sich insbesondere um ein Kopplungselement zur (vorzugsweise strukturellen) Kopplung mit einem benachbarten Bauteil. Das Kopplungselement dient dabei vorzugsweise zur Krafteinleitung in das Kunststoffbauteil. Beispielsweise ist dieses Kopplungselement als Gewindebuchse ausgebildet, die zur besonders stabilen Ausbildung einer Schraubverbindung dient. Alternativ ist das Kopplungselement als metallische Öse oder Auge ausgebildet. Der oder die Metalleinleger sind dabei ebenfalls in dem Insert-Moulding-Verfahren insbesondere in die Trägerlage, vorzugsweise aber auch in die Verstärkungslage eingebettet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer schematischen Explosionszeichnung ein erfindungsgemäßes Kunststoffbauteil,
2 in einem schematischen Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kunststoffbauteils,
3 u. 4 in einer Schnittdarstellung durch ein Spritzgießwerkzeug schematisch vereinfacht jeweils einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung des Kunststoffbauteils,
5 u. 6 in Ansicht gemäß 1 bzw. 2 jeweils zwei weitere Ausführungsbeispiele des Kunststoffbauteils, und
7 in Ansicht gemäß 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Kunststoffbauteils (kurz als Bauteil 1 bezeichnet) dargestellt. Das Bauteil 1 umfasst eine Dekorlage 2, die durch ein (Folien-)Insert 3 (s. 3 und 4) gebildet ist. Des Weiteren umfasst das Bauteil 1 eine Verstärkungslage 4, die durch in einem thermoplastischen Kunststoff eingebettete Endlosfasern 5 gebildet ist. Die Verstärkungslage 4 umfasst konkret mehrere, schichtartig übereinander gelegte Faserverbundhalbzeuge 6, die eine „Faserlage“ bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Faserverbundhalbzeuge 6 jeweils durch ein UD-Tape gebildet, das aus parallel angeordneten (unidirektional ausgerichteten) Endlos-Glasfasern in einer ABS-Matrix gebildet ist (s. 3 und 4). Das Bauteil 1 umfasst außerdem eine Trägerlage 7, die durch einen thermoplastischen Kunststoff gebildet ist. Als Kunststoff für die Trägerlage 7 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel kurzglasfaser-gefülltes ABS verwendet. Die einzelnen Lagen 2, 4 und 7 des Bauteils 1 sind (abweichend von der in 1 gewählten schematischen Explosionszeichnung) nach einem nachfolgend näher beschriebenen In-Mould-Verfahren stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Dekorlage 2 bildet eine (ein- oder mehr-)farbig ausgestaltete, sichtbare Außenfläche 8 des Bauteils 1. Die Trägerlage 7 ist dabei rückseitig, d. h. von der Außenfläche 8 abgewandt an der Verstärkungslage 4 angeordnet.
Abweichend zu der in 1 dargestellten Reihenfolge der Verstärkungslage 4 sowie der Trägerlage 7 sind diese in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel vertauscht, so dass die Trägerlage 7 direkt unterhalb der Dekorlage 2 und somit zwischen der Dekorlage 2 und der Verstärkungslage 4 angeordnet ist.
Die Außenfläche 8 des Bauteils 1 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist gewölbt ausgeführt. Diese Wölbung setzt sich auch durch die Verstärkungslage 4 und die Trägerlage 7 fort. Das Bauteil 1, konkret die Verstärkungslage 4 weist somit eine Schalenform auf, die sich besonders positiv auf die Biegesteifigkeit des Bauteils 1 auswirkt. Des Weiteren weist die Trägerlage 7 mehrere Verstärkungsrippen 10 auf. Diese Verstärkungsrippen 10 dienen als geometrische Verstärkungselemente ebenfalls zur Erhöhung der Biege- und Verwindungssteifigkeit der Verstärkungslage 4 und somit des Bauteils 1. Neben den in Längsrichtung des Bauteils 1 (gemäß 2 senkrecht zur Blattebene) verlaufenden Verstärkungsrippen 10 weist die Trägerlage 7 auch quer und schräg verlaufende Verstärkungsrippen 12 auf, die zwischen den längs angeordneten Verstärkungsrippen 10 verlaufen.
Das Insert 3 ist als mehrschichtige Dekorfolie ausgebildet, die eine (aus thermoplastischem Kunststoff gebildete, auch als Trägerfolie bezeichnete) Backing-Folie, eine Farbschicht und eine Deckschicht aufweist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle der Farbschicht ein Holzfurnier zwischen der Deckschicht und der Backing-Folie angeordnet.
Anhand 3 und 4 wird ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils 1 näher beschrieben. Bei dem Verfahren handelt es sich um ein In-Mould-Verfahren, konkret ein Insert-Spritzgießverfahren (auch als Insert-Moulding-Verfahren bezeichnet), bei dem das die Dekorlage 2 bildende Insert 3 und die Verstärkungslage 4 in einem (Spritzgieß-)Werkzeug 14 durch die Ausbildung der Trägerlage 7 zu dem Bauteil 1 verbunden werden. Das Werkzeug 14 umfasst dazu eine erste Werkzeughälfte, die in bestimmungsgemäßer Benutzung auf einer unbeweglichen, „düsenseitigen“ Montageplatte einer Spritzgießmaschine (nicht näher dargestellt) gehaltert ist. Das Werkzeug 14 umfasst des Weiteren eine zweite Werkzeughälfte, die bestimmungsgemäß auf einer beweglichen, der düsenseitigen Montageplatte der Spritzgießmaschine gegenüber liegenden Montageplatte gehaltert ist. Die erste Werkzeughälfte wird im Folgenden auch als („unbewegliche“ oder) düsenseitige Werkzeughälfte 16 und die zweite Werkzeughälfte auch als bewegliche Werkzeughälfte 18 bezeichnet. Die beiden Werkzeughälften 16 und 18 weisen jeweils eine Trennfläche 20 auf, entlang derer die beiden Werkzeughälften 16 und 18 im geschlossenen Zustand (siehe 4) aneinander anliegen. Die Ebene, in der sich die Trennflächen 20 im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 14 berühren, wird auch als Trennebene bezeichnet. In dieser Trennebene, d. h. im Bereich der jeweiligen Trennflächen 20 ist in dem Werkzeug 14 eine als Kavität 22 bezeichnete Negativform für das Bauteil 1 ausgeformt. Die Kavität 22 wird durch Vertiefungen (im vorliegenden Ausführungsbeispiel vornehmlich in der beweglichen Werkzeughälfte 18) und Vorsprünge ausgestaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 und 4 weist die düsenseitige Werkzeughälfte 16 einen als Stempel 24 bezeichneten Vorsprung auf, der im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 14 in die Vertiefung der beweglichen Werkzeughälfte 18 ragt. Des Weiteren weist die düsenseitige Werkzeughälfte 16 zum Einbringen von Kunststoffschmelze einen Angusskanal 26 auf, der vorliegend durch eine Heißkanaldüse (lediglich schematisch angedeutet) gebildet ist. Der Angusskanal 26 mündet dabei im Stempel 24 in einer als Anspritzpunkt bezeichneten Öffnung in die Kavität 22.
Das am späteren Bauteil 1 die Dekorlage 2 bildende Insert 3 wird zunächst derart umgeformt, konkret tiefgezogen, dass die Form des Inserts 3 der in der beweglichen Werkzeughälfte 18 ausgeformten Oberfläche der Kavität 22 entspricht. Anschließend wird zu Beginn eines Zyklusses des Insert-Spritzgießverfahrens das Insert 3 mittels einer nicht näher dargestellten Handhabungseinrichtung in den in der beweglichen Werkzeughälfte 18 angeordneten Teil der Kavität 22 eingelegt – in 3 durch einen strichlinierten Pfeil 28 angedeutet. Die Backing-Folie ist dabei der düsenseitigen Werkzeughälfte 16 zugewandt. Währenddessen werden mehrere, übereinander gelegte Faserverbundhalbzeuge 6 (d. h. mehrere Schichten des UD-Tapes), die die Verstärkungslage 4 für das Bauteil 1 bilden, vorgeheizt und mittels eines (nicht näher dargestellten) Spannrahmens vor dem Stempel 24 der düsenseitigen Werkzeughälfte 16 positioniert (vgl. Pfeil 30 in 4).
Anschließend wird das Werkzeug 14 geschlossen. Dazu wird die bewegliche Werkzeughälfte 18 mittels einer (nicht näher dargestellten) Schließvorrichtung der Spritzgießmaschine gegen die düsenseitige Werkzeughälfte 16 bewegt, bis die Trennflächen 20 beider Werkzeughälften 16 bzw. 18 aneinander anliegen (s. 4). Die Kavität 22 bildet im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 14 somit einen geschlossenen Hohlraum (die Negativform). Beim Schließen des Werkzeuges 14 werden die auf Umformtemperatur vorgeheizten Faserverbundhalbzeuge 6 von dem Stempel 24 in eine näherungsweise U-förmige Schalenform umgeformt (vgl. 2). Anschließend wird durch den Angusskanal 26 thermoplastische Kunststoffschmelze – mit Kurzglasfasern gefülltes ABS – in die Kavität 22 eingespritzt. Durch den beim Einspritzen von der Kunststoffschmelze aufgebauten Werkzeuginnendruck wird der aus den Faserverbundhalbzeugen 6 gebildete Faser-Schichtverbund an das Insert 3 angepresst. Dadurch bildet sich zwischen dem Insert 3 und der Kunststoffmatrix der Faserverbundhalbzeuge 6 eine stoffschlüssige Verbindung aus. Durch den Werkzeuginnendruck werden auch die aufeinandergeschichteten Faserverbundhalbzeuge 6 zusammengedrückt („konsolidiert“), so dass eventuell vorhandene Zwischenräume mit der Kunststoffmatrix ausgefüllt werden. Die eingespritzte Kunststoffschmelze füllt den Zwischenraum zwischen dem rückwärtigen (d. h. dem Stempel 24 zugewandten) Faserverbundhalbzeug 6 und der Oberfläche des Stempels 24 und bildet dabei die Trägerlage 7 aus. Wie in den 3 und 4 zu erkennen ist, sind in dem Stempel 24 Einschnitte (auch als Nuten bezeichnet) ausgearbeitet, die zur Ausformung der Verstärkungsrippen 12 der Trägerlage 7 dienen.
Nach dem Einspritzen der Kunststoffschmelze wird diese auf Entformungstemperatur abgekühlt. Dabei erstarrt die Kunststoffschmelze und die jeweiligen Lagen 2, 4 und 7 werden ausgebildet. Anschließend werden das Werkzeug 14 geöffnet und das Bauteil 1 entformt. Daran anschließend wird ein neuer Zyklus des Insert-Spritzgießverfahrens gestartet.
In zwei weiteren, jeweils in 5 bzw. 6 dargestellten Ausführungsbeispielen weist das Bauteil 1 jeweils eine Zwischenlage 32 auf, die zwischen der Dekorlage 2 und der Verstärkungslage 4 angeordnet ist. Die Zwischenlage 32 ist dabei aus dem gleichen Kunststoff wie die Trägerlage 7 ausgebildet. Die Zwischenlage 32 dient zum Ausgleich von faserverlaufsbedingten Welligkeiten in der dem Insert 3 zugewandten Oberfläche der Verstärkungslage 4.
Die Zwischenlage 32 wird ebenfalls in dem Insert-Spritzgießverfahren ausgeformt. Dabei wird durch den Angusskanal 26 die thermoplastische Kunststoffschmelze derart in die Kavität 22 eingespritzt, dass ein Teil der Kunststoffschmelze durch die Faserverbundhalbzeuge 6 hindurchtritt und die Zwischenlage 32 zwischen dem Insert 3 und der durch die Faserverbundhalbzeuge 6 gebildeten Verstärkungslage 4 ausformt. Der andere Teil der Kunststoffschmelze füllt den Zwischenraum zwischen den Faserverbundhalbzeugen 6 und der Oberfläche des Stempels 24 und bildet dabei die Trägerlage 7 aus.
Neben den Verstärkungsrippen 10 bzw. 12 sind an der Rückseite der Trägerlage 7 auch Schraubdome 34 angeordnet (s. 2 und 6). Diese Schraubdome 34 dienen als Kopplungselement, mittels dessen das Bauteil 1 mit einem benachbarten Bauteil verbunden, konkret verschraubt werden kann. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem jeweiligen Schraubdom 34 eine metallene Gewindebuchse eingebettet, die ebenfalls in dem Insert-Moulding-Spritzgießverfahren in das Werkzeug 14 eingelegt und von der eingespritzten Kunststoffschmelze umhüllt wird.
In 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des vorstehend beschriebenen Verfahrens illustriert. Hierbei ist das Werkzeug 14 entlang der Trennflächen 20 im Wesentlichen „spiegelverkehrt“ zu dem Ausführungsbeispiels der 3 und 4 aufgebaut. Konkret sind der Stempel 24 auf der beweglichen Werkzeughälfte 18 und die korrespondierende Vertiefung in der düsenseitigen Werkzeughälfte 18 ausgeformt. Der Angusskanal 26 ist zwar weiterhin in der düsenseitigen Werkzeughälfte 16 angeordnet, mündet allerdings an einem unteren Rand in die Kavität 22. Bei der Herstellung des Bauteils 1 wird das Insert 3 abweichend von dem in 3 und 4 beschriebenen Vorgehen in die düsenseitige Werkzeughälfte 16 eingelegt. Die Backing-Folie ist dabei der beweglichen Werkzeughälfte 18 zugewandt. Die Faserverbundhalbzeuge 6 werden entsprechend auf der dem Stempel 24 zugewandten Seite des Inserts 3 positioniert, konkret vor dem Stempel 24. Nach dem Schließen des Werkzeugs 14 wird die Kunststoffschmelze von unten und somit von einer (Schmal-)Seite des fertigen Bauteils 1 zwischen die Faserhalbzeuge 6 und das Insert 3 eingespritzt. Ein Teil der Kunststoffschmelze durchströmt dabei die Faserhalbzeuge 6 und bildet dadurch die Trägerlage 7 aus. Der zwischen den Faserhalbzeugen 6 und dem Insert 3 verbleibende Teil der Kunststoffschmelze bildet die Zwischenlage 32 aus.
Der Gegenstand der Erfindung geht zwar besonders deutlich aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor. Dennoch ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kunststoffbauteil
2: Dekorlage
3: Insert
4: Verstärkungslage
5: Endlosfaser
6: Faserverbundhalbzeug
7: Trägerlage
8: Außenfläche
10: Verstärkungsrippe
12: Verstärkungsrippe
14: Werkzeug
16: Werkzeughälfte
18: Werkzeughälfte
20: Trennfläche
22: Kavität
24: Stempel
26: Angusskanal
28: Pfeil
30: Pfeil
32: Zwischenlage
34: Schraubdom

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils (1), wobei verfahrensgemäß – ein folienartiges Insert (3) in eine Kavität (22) eines geöffneten Werkzeugs (14) eingebracht wird, – eine aus Endlosfasern (5) gebildete Faserlage (6) in die Kavität (22) des geöffneten Werkzeugs (14) eingebracht wird, und – nach dem Schließen des Werkzeugs (14) thermoplastische Kunststoffschmelze durch einen Anspritzpunkt in die Kavität (22) eingebracht und dadurch eine Trägerlage (7) ausgebildet wird, die das Insert (3) als Dekorlage (2) und die Faserlage (6) als Verstärkungslage (4) trägt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Faserlage mindestens ein mit thermoplastischem Kunststoff imprägniertes Faserverbundhalbzeug (6) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Faserverbundhalbzeug (6) vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Faserverbundhalbzeug (6) beim Schließen des Werkzeugs (14) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Faserverbundhalbzeug (6) beim Schließen des Werkzeugs (14) an das Insert (3) angedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Insert (3) vor dem Einbringen in die Kavität (22) zugeschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Insert (3) vor dem Einbringen in die Kavität (22) vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und 7, wobei ein Teil der Endlosfasern (5) der Faserlage (6) zumindest teilweise in eine der Faserlage (6) zugewandte Rückseite des Inserts (3) eingedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Oberfläche der der Faserlage (6) zugewandten Rückseite des Inserts (3) vor dem Schließen des Werkzeugs (14) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Rückseite des Inserts (3) nach dem Einbringen in die Kavität (22) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zur Ausbildung der Trägerlage (7) die thermoplastische Kunststoffschmelze auf eine von dem Insert (3) abgewandte Rückseite der Faserlage, insbesondere des Faserverbundhalbzeugs (6), aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei ein zur Ausbildung einer Verbindung zwischen dem Faserverbundhalbzeug (6) und dem Insert (3) erforderlicher Anpressdruck mittels der eingebrachten Kunststoffschmelze auf das Faserverbundhalbzeug (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei nach dem Schließen des Werkzeugs (14) mittels eines weiteren Anspritzpunkts in dem Werkzeug (14) thermoplastische Kunststoffschmelze zur Ausbildung einer Zwischenlage (32) zwischen das Insert (3) und die Faserlage, insbesondere das Faserverbundhalbzeug (6), eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Werkzeug (14) nach dem Ausbilden der Zwischenlage (32) und vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze für die Trägerlage (7) zur Ausbildung eines rückseitig zu der Faserlage (6) angeordneten Bauteilvolumens geringfügig geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kunststoffschmelze derart in die Kavität (22) eingebracht wird, dass zur Ausbildung der Trägerlage (7) und einer zwischen dem Insert (3) und der Faserlage (6) angeordneten Zwischenlage (32) die Faserlage, insbesondere das Faserverbundhalbzeug (6), von der Kunststoffschmelze durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Kunststoffschmelze durch Spritzgießen eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei für die Trägerlage (7) und das Faserverbundhalbzeug (6), sowie für die gegebenenfalls vorhandene Zwischenlage (32) jeweils ein kompatibler thermoplastischer Kunststoff herangezogen wird.
Kunststoffbauteil (1), das nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist.
Kunststoffbauteil (1) nach Anspruch 18, wobei die Trägerlage (7) auf einer der Dekorlage (2) abgewandten Rückseite der Verstärkungslage (4) angeordnet ist.
Kunststoffbauteil (1) nach Anspruch 18 oder 19, wobei es sich bei der Trägerlage (7) um eine dreidimensionale Stützstruktur handelt.
Kunststoffbauteil (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, mit einer zwischen dem Insert (3) und der Verstärkungslage (4) angeordneten Zwischenlage (32) aus thermoplastischem Kunststoff.
Kunststoffbauteil (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Verstärkungslage (4) durch mindestens ein mit thermoplastischem Kunststoff imprägniertes Faserverbundhalbzeug (6) gebildet ist.
Kunststoffbauteil (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Trägerlage (7) und die Verstärkungslage (4) sowie die gegebenenfalls vorhandene Zwischenlage (32) jeweils einen kompatiblen thermoplastischen Kunststoff aufweisen.