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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Teils und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern des Erscheinungsbildes von Oberflächenschweißlinien, die sich bei einem Formgebungsverfahren, wie beispielsweise Spritzgießen, bilden.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, welche die vorliegende Offenbarung betreffen und stellen nicht unbedingt den Stand der Technik dar.
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Spritzgießen ist ein geläufiges Verfahren zur Herstellung von Teilen, beispielsweise Kraftfahrzeuginnenteilen. Spritzgießen beinhaltet allgemein das Erwärmen eines Polymer-/Kunststoffmaterials (z. B. Thermoplast) in Form von Granulat, um ein geschmolzenes Material zu erzeugen. Dieses geschmolzene Material fließt durch die Spritzgießanlage und wird durch eine oder mehrere Fließfronten eingespritzt, um eine Form zu füllen. Wenn das geschmolzene Material sich innerhalb der Form befindet, kühlt es ab und verfestigt sich, um eine gewünschte Teilform zu bilden (welche die Form eines Hohlraums oder mehrerer Hohlräume innerhalb der Form ist).
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Bei einem Spritzgießverfahren entsteht ein Qualitäts- und/oder Oberflächenerscheinungsproblem für den Verbraucher und/oder den Hersteller, wenn die geschmolzenen Materialien sich innerhalb eines Formhohlraums verbinden. Insbesondere kann eine Unterbrechung bei der molekularen Ausrichtung der geschmolzenen Materialien auftreten, sodass eine Linie, eine Kerbe und/oder eine Farbveränderung auftauchen kann und bilden kann, was allgemein als Schweißlinie bezeichnet wird, von der ein Beispiel in 1 dargestellt ist. Die Position der Schweißlinie tritt üblicherweise an Stellen auf, an denen das geschmolzene Material nicht vollständig bindet oder an denen es Löcher oder Schwachstellen von verschiedenen Fließfronten von geschmolzenem Material gibt. Schweißlinien können Schwachstellen in dem Formteil bewirken, wobei die Festigkeit der Schweißlinie von 10-90 % der geschmolzenen Materialien betragen kann. Bei einer Verringerung der Festigkeit, wenn die Stelle der Schweißlinie beansprucht wird, kann es einen unerwünschten Bruch des Teils bewirken.
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Übliche Lösungen zum Verringern von Schweißlinien beinhalten die Induktionserwärmung oder „E-Mold“, wobei die Oberfläche der Spritzgießform in einen überhitzten Zustand gebracht wird, um eine bessere Bindung an den Schweißlinienstellen zu fördern. Diese Lösungen können jedoch kostspielig sein.
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Das unerwünschte Aussehen und strukturelle Probleme, die mit Schweißlinien in Formteilen verbunden sind, sind Aufgabe der vorliegenden Offenbarung.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Formteil bereitgestellt, das benachbarte Außenflächen definiert, die mindestens eine Schweißlinie, die sich zwischen den benachbarten Außenflächen erstreckt, umfassen. Ein Einsatz ist an der Schweißlinie angeordnet und erstreckt sich in einem Winkel zwischen den benachbarten Außenflächen. Allgemein ist der Einsatz ausgelegt, um eine molekulare und Faserausrichtung zu verbessern, um den Schweregrad der Schweißlinie beim Erscheinungsbild und/oder mechanische Eigenschaften zu verringern.
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In einer Form ist der Einsatz durch eine umgekehrte S-Querschnittsgeometrie definiert. In anderen Formen der vorliegenden Offenbarung kann der Einsatz ein Polymermaterial sein, das Formteil kann ein einziges Material sein, das Formteil umfasst mindestens zwei Polymere und der Einsatz ist ein Material aus einem der mindestens zwei Polymere und das Formteil umfasst mindestens zwei Polymere und der Einsatz ist ein Material, das sich von den mindestens zwei Polymeren unterscheidet. In einer anderen Form beinhaltet das Formteil eine Vielzahl von Schweißlinien und eine entsprechende Vielzahl von Einsätzen, die an der Vielzahl von Schweißlinien angeordnet ist, wobei sich jeder Einsatz in einem Winkel zwischen den benachbarten Außenflächen des Formteils erstreckt. In noch einer weiteren Form definiert das Formteil eine Dicke an der Schweißlinie und der Einsatz erstreckt sich durch mindestens 90 % der Dicke. Das Formteil kann auch faserverstärkt sein.
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In einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Bilden eines Teils bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen eines Einsatzes in einem Winkel innerhalb eines Formhohlraums, das Schicken einer Menge von geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum, um eine erste Schmelzfront zu bilden, und das Schicken einer weiteren Menge von geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum, um eine zweite Schmelzfront zu bilden, wobei die erste Schmelzfront an einer Schweißlinie auf die zweite Schmelzfront trifft und jede Front entlang gegenüberliegender Seiten des Einsatzes fließt. In einer Form definiert der Formhohlraum gegenüberliegende Innenflächen und der Einsatz ist in einem Winkel zwischen den Innenflächen an der Schweißlinie angeordnet. Ein Ende des Einsatzes kann fest an einer der gegenüberliegenden Innenseiten angeordnet sein und ein anderes Ende des Einsatzes fließt innerhalb des Formhohlraums. Ferner kann eine Vielzahl von Einsätzen in einem Winkel innerhalb von mindestens einem Formhohlraum angeordnet sein, und eine Vielzahl von Mengen an geschmolzenem Harz wird durch den Formhohlraum geschickt, um eine Vielzahl von Schmelzfronten zu bilden, und die Vielzahl von Schmelzfronten trifft an einer Vielzahl von Schweißlinien auf benachbarte Schmelzfronten und jede benachbarte Front fließt entlang gegenüberliegender Seiten jedes Einsatzes. In einer Form definiert der Einsatz ein Material, das eine Glasübergangstemperatur aufweist, die größer als oder gleich einer Glasübergangstemperatur jeder der Mengen an geschmolzenem Harz ist.
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In noch einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Spritzgießen eines Teils bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen eines Einsatzes in einem Winkel innerhalb eines Formhohlraums, das Einspritzen einer Menge von geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum, um eine erste Schmelzfront zu bilden, und das Einspritzen einer weiteren Menge von geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum, um eine zweite Schmelzfront zu bilden, wobei die erste Schmelzfront an dem Einsatz auf die zweite Schmelzfront trifft und jede Front entlang gegenüberliegender Seiten des Einsatzes fließt.
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Diese verschiedenen Formteile, Einsätze und Verfahren können einzeln oder in einer beliebigen Kombination angewendet werden, wie hier dargelegt, während sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung bleiben.
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Weitere Einsatzbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Umfang Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen.
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Figurenliste
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Damit die Offenbarung gut verständlich ist, werden jetzt verschiedene Formen davon als Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Formteils ist, das eine sichtbare Schweißlinie gemäß dem Stand der Technik aufweist;
- 2A eine progressive Querschnittsansicht ist, die eine Schweißlinie veranschaulicht, die in einem Formgebungsverfahren gemäß dem Stand der Technik gebildet wird;
- 2B eine progressive Querschnittsansicht ist, die eine Schweißlinienbildung unter Verwendung eines Einsatzes, der gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist, veranschaulicht;
- 3A eine Querschnittsdarstellung eines simulierten durchschnittlichen größeren Moduls durch eine Schweißlinie gemäß dem Stand der Technik ist;
- 3B eine Querschnittsdarstellung eines simulierten durchschnittlichen größeren Moduls durch eine Schweißlinie ist, die einen Einsatz gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung aufweist; und
- 4 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Bilden eines Teils veranschaulicht, das einen Einsatz gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung aufweist.
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist nur beispielhafter Art und soll die vorliegende Offenbarung, Patentanmeldung oder Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Bezugnehmend auf 2A und 2B wird ein Formteil gemäß dem Stand der Technik (10) verglichen mit einem Formteil (20) gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung dargestellt. In jeder dieser Figuren veranschaulichen die Schritte A bis D eine progressive Bewegung geschmolzener Materialien innerhalb einer Form im Laufe der Zeit. Insbesondere und Bezug nehmend auf FIG. 2A beinhaltet ein Formgebungsverfahren (z. B. Spritzgießen) mehrere Fließfronten von geschmolzenen Materialien 11a und 11b, die zusammenfließen, um einen Formhohlraum 12 zu füllen. Die geschmolzenen Materialien 11a und 11b fließen in die dargestellte Pfeilrichtung aufeinander zu, wobei die Pfeile die Schmelzfronten jedes der geschmolzenen Materialien lla/llb darstellen. Wenn der Formhohlraum 12 in Schritt D gefüllt ist, verbinden sich die geschmolzenen Materialien 11a und 11b, um eine Linie, eine Kerbe und/oder eine Farbveränderung zu bilden, die als Schweißlinie 13 bezeichnet wird. Auch wenn sie als einzelne Schweißlinie 13 dargestellt ist, können mehrere Schweißlinien in dem Formteil 10 auftreten.
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Nunmehr bBezug nehmend auf FIG. 2B beinhaltet das Formteil 20 gemäß der folgenden Offenbarung benachbarte Außenflächen 22 und 24 (Schritt D) und umfasst mindestens eine Schweißlinie 26, die sich zwischen den benachbarten Außenflächen 22 und 24 erstreckt. Das Formteil 20 beinhaltet einen neuartigen Einsatz 30, der an der Schweißlinie 26 angeordnet ist und sich in einem Winkel zwischen den benachbarten Außenflächen 22 und 24 des Formteils 20 erstreckt. In dieser Form definiert der Einsatz 30 eine umgekehrte S-Querschnittsgeometrie, es versteht sich jedoch, dass andere Geometrien für einen Einsatz, der sich in einem Winkel zwischen den benachbarten Außenflächen 22 und 24 erstreckt, verwendet werden können, während man innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung verbleibt. Ein beliebiger Winkel kann verwendet werden, sofern der Einsatz 30 derart wirkt, dass die Sichtbarkeit und/oder die mechanische Einwirkung von Schweißlinien von Formteilen verringert werden, und daher ist der hierin veranschaulichte Winkel nur beispielhaft. Ferner bildet ein Profil des Einsatzes 30 (der sich in und außerhalb des Querschnitts von FIG. 1B und entlang einer Fläche des Formteils 20 befinden würde) eine Oberflächenkontur des endgültigen Formteils 20 nach.
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Wie in den Formgebungsschritten A bis D veranschaulicht, wenn geschmolzene Materialien 32a und 32b zueinander hin und zum Einsatz 30 fließen, fließt jedes der Materialien 32a und 32b entlang gegenüberliegender Seiten des Einsatzes 30, wie durch die kleineren Pfeile an den Schmelzfronten dargestellt. Mit dieser Strömungsdynamik innerhalb des Formhohlraums 25 in der Nähe des Einsatzes 30 bewirkt der Einsatz 30, dass eine molekulare und Faserausrichtung verbessert wird. Demzufolge wird durch die Verwendung des Einsatzes 30 der Schweregrad der Schweißlinie 26 verringert, oder anders gesagt wird die Sichtbarkeit der Schweißlinie 26 an den Außenflächen 22 und 24 verringert und/oder die mechanische Auswirkung der Schweißlinie 26 wird verringert.
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In einer Form ist der Einsatz 30 ein Polymermaterial, wie beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast. Das Formteil 20 kann ein einzelnes Polymermaterial sein oder das Formteil 20 kann mindestens zwei Polymere sein, wobei der Einsatz 30 ein Material aus einem der mindestens zwei Polymere ist. Alternativ, wenn das Formteil 20 mindestens zwei Polymere umfasst, kann der Einsatz 30 ein Material sein, das sich von den Polymeren des Formteils 20 unterscheidet. Es versteht sich auch, dass eine Vielzahl von Einsätzen 30 an einer Vielzahl von Schweißlinien innerhalb des Formteils 20 verwendet werden kann, während man innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung verbleibt. Das Formteil 20 kann auch faserverstärkt sein. In einer Form definiert der Einsatz 30 ein Material, das eine Glasübergangstemperatur aufweist, die größer als oder gleich einer Glasübergangstemperatur jedes der geschmolzenen Materialien 32a und 32b ist. Allgemein ist der Einsatz 30 aus einem Material hergestellt, das mit dem endgültigen Formteil 20 erneut schmilzt, um sich so weit wie möglich zu homogenisieren, um das Erscheinungsbild seiner Oberfläche und/oder jegliche Auswirkung auf mechanische Eigenschaften des endgültigen Formteils 20 zu verringern. In einer Form kann der Einsatz 30 durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt/gebildet sein. Alternativ kann der Einsatz 30 selbst geformt sein.
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Wie ferner in 2B dargestellt, definiert das Formteil 20 eine Dicke T an der Schweißlinie 26. In einer Form erstreckt sich der Einsatz 30 durch mindestens 90 % der Dicke T. Es versteht sich jedoch, dass der Einsatz 30 sich durch verschiedene Dicken erstrecken kann, die weniger oder mehr als 90 % betragen können, während man innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung verbleibt.
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Gemäß einem Verfahren der vorliegenden Offenbarung ist der Einsatz 30 in einem Winkel zwischen gegenüberliegenden Innenflächen 34 und 36 des Formhohlraums 25 angeordnet (Schritt A). Der Einsatz 30 kann mit Hilfe eines Werkzeuganordnungsmerkmals (z. B. Kerbe, nicht dargestellt) gesichert werden oder kann vor dem Formen unter Verwendung anderer Mittel an einer oder beiden der gegenüberliegenden Flächen 34/36 gesichert werden. In einer Form ist der Einsatz 30 fest an einer der gegenüberliegenden Innenseiten 34/36 angeordnet und ein anderes Ende des Einsatzes 30 fließt innerhalb des Formhohlraums 25. Alternativ kann der Einsatz 30 vollständig innerhalb des Formhohlraums 25 fließen, was zu einer Schweißlinie 26 führt, die sich in Abhängigkeit von einer Fließdynamik jedes der geschmolzenen Materialien 32a und 32b bewegt.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 3A und 3B wird das durchschnittliche Hauptmodul des Teils 10 ohne einen Einsatz mit einem durchschnittlichen Hauptmodul des Teils 20 mit einem Einsatz 30 unter Verwendung von Computer Aided Engineering (CAE)-Simulationen verglichen. Wie in 3A dargestellt, ist es offensichtlich, dass die Schweißlinie 13 ein wesentlich geringeres durchschnittliches Hauptmodul aufweist und zu einer sichtbareren Schweißlinie an den Außenflächen des Formteils 10 führt. Wie in 3B dargestellt, vergrößert das Vorhandensein eines Einsatzes 30 das durchschnittliche Hauptmodul an der Schweißlinie 26, was somit zu einer weniger sichtbaren Schweißlinie an den Außenflächen und zu stärkeren mechanischen Eigenschaften des Formteils 20 führt.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 4 wird ein Verfahren zum Bilden eines Teils gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht. Wie dargestellt, befindet sich ein Einsatz in einem Winkel innerhalb eines Formhohlraums. Dann wird eine Menge an geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum geschickt, um eine erste Schmelzfront zu bilden, und dann wird eine weitere Menge an geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum geschickt, um eine zweite Schmelzfront zu bilden, wobei die erste Schmelzfront an einer Schmelzlinie auf die zweite Schmelzfront trifft und jede Front entlang gegenüberliegender Seiten des Einsatzes fließt. Das Verfahren kann ein beliebiges Formgebungsverfahren sein und ist in einer Form Spritzgießen. In diesem Fall wird das geschmolzene Harz durch den Formhohlraum eingespritzt.
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Ferner kann eine Vielzahl von Einsätzen innerhalb des Formhohlraums verwendet werden, die jeweils in einem Winkel innerhalb des Formhohlraums angeordnet ist. Mit der Vielzahl von Einsätzen wird eine Vielzahl von Mengen an geschmolzenem Harz durch den Formhohlraum geschickt, um eine Vielzahl von Schmelzfronten zu bilden. Die Vielzahl von Schmelzfronten trifft an einer Vielzahl von Schweißlinien auf benachbarte Schmelzfronten und jede Front fließt entlang gegenüberliegender Seiten jedes Einsatzes.
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In jedem der hier betrachteten Verfahren und wie oben dargelegt kann das geschmolzene Harz ein einzelnes Polymermaterial sein oder es können verschiedene Polymermaterialien verwendet werden, um ein einzelnes Formteil zu bilden. Es versteht sich, dass Varianten bei den Materialien für das geschmolzene Harz und den Einsatz möglich sind und als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegend betrachtet werden.
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Die Anordnung des Einsatzes innerhalb eines Formhohlraums kann entweder bei Werkzeugerprobung und/oder durch CAE-Simulationen bestimmt werden.
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Die Beschreibung der Offenbarung ist nur beispielhafter Art und somit sollen Varianten, die nicht von der Substanz der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen. Derartige Varianten sind nicht als eine Abweichung von dem Gedanken und dem Umfang der Offenbarung zu betrachteten.
