DE102018133115A1 - injection system - Google Patents
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Abstract
Injektionssystem zum Mischen von Komponenten eines thermoplastischen Harzsystems mit zumindest einem Füllstoff (11) und Einbringen einer dabei entstehenden Mischung (33) in eine Formkavität (35) eines Formwerkzeugs (2) mit
- einem Mischbehälter (34), welcher mit der Formkavität (2) fließtechnisch verbindbar ist,
- einer ersten Einbringvorrichtung (31) zum Einbringen des zumindest einen Füllstoffs (11) in den Mischbehälter (34),
- einer von der der ersten Einbringvorrichtung (31) gesonderten zweiten Einbringvorrichtung (32) zum gemeinsamen oder getrennten Einbringen der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems in den Mischbehälter (34) und
- einem Kolben (9) zum gemeinsamen Verbringen der im Mischbehälter (34) befindlichen Mischung (33) aus dem Mischbehälter (34) in die Formkavität (35).
Injection system for mixing components of a thermoplastic resin system with at least one filler (11) and introducing a resulting mixture (33) into a mold cavity (35) of a molding tool (2)
a mixing container (34) which can be fluidly connected to the mold cavity (2),
a first introduction device (31) for introducing the at least one filler (11) into the mixing container (34),
- One of the first introduction device (31) separate second introduction device (32) for the common or separate introduction of the components of the thermoplastic resin system in the mixing container (34) and
- A piston (9) for jointly bringing the mixture in the mixing container (34) (33) from the mixing container (34) into the mold cavity (35).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Injektionssystem und ein Verfahren zum Mischen von Komponenten eines thermoplastischen Harzsystems mit zumindest einem Füllstoff und zum Einbringen einer dabei entstehenden Mischung in eine Formkavität eines Formwerkzeugs sowie eine Verwendung eines entsprechenden Injektionssystems.The present invention relates to an injection system and a method for mixing components of a thermoplastic resin system with at least one filler and for introducing a resulting mixture in a mold cavity of a mold and a use of a corresponding injection system.
Die Herstellung von Polyamid
Zunächst ist die Verarbeitung von mit Kurzfasern verstärkten thermoplastischen Formmassen im Spritzgießverfahren anzuführen. Hierbei sind kurze Zykluszeiten und somit eine unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten attraktive Verfahrensführung erreichbar. Das Spektrum an realisierbaren Bauteilen ist jedoch insbesondere auf eher dünnwandige Bauteile beschränkt.First, the processing of short fibers reinforced thermoplastic molding compositions by injection molding. Here, short cycle times and thus an economically attractive process management are achievable. However, the range of realizable components is limited in particular to rather thin-walled components.
Eine kontinuierliche Einbringung und Imprägnierung von Fasern unter Verwendung von Einschneckenextrudern wird in zudem in der
Im Bereich der Reaktivverarbeitung hat sich zur Verarbeitung von Schnitt- bzw. Langglasfasern das Fasersprühverfahren etabliert. Hierbei werden die Fasern gemeinsam mit der reaktiven Matrix (meist Polyurethan-Sprühsysteme) in ein offenes Formgebungswerkzeug gesprüht. Die Vermischung von Fasern und Matrix kann dabei bereits im Mischkopf erfolgen, beispielsweise offenbart die
Vereinzelt gibt es bereits Anwendungsbeispiele für Fasersprühverfahren mit Kohlenstofffasern, insbesondere, wenn auf Verschnittreste oder recycliertes Material zurückgegriffen werden kann. Damit ein Sprühverfahren unter normalen Umgebungsbedingungen angewendet werden kann muss das Harzsystem im Wesentlichen unempfindlich gegenüber der Luftfeuchtigkeit sein und es muss bei Raumtemperatur noch flüssig sein.Occasionally, there are already application examples for fiber spraying processes with carbon fibers, in particular if it is possible to fall back on waste residues or recycled material. In order for a spraying process to be used under normal ambient conditions, the resin system must be substantially insensitive to atmospheric moisture and it must still be liquid at room temperature.
Für die Zugabe von geschnittenen Fasern mit mehreren Millimetern Länge zu thermoplastischen Reaktivsystemen gibt es hingegen nur vereinzelte Lösungsvorschläge. Beispielsweise werden im Bereich der Prototypenfertigung im Vakuumgußverfahren zwei Caprolactam-Komponenten mit Aktivator und Katalysator unter Verwendung eines statischen Mischers vorgemischt. Mit Hilfe eines Rührwerks werden dann Kurzglasfasern eingebracht und durch das Schwenken des Mischbehälters kann die faserhaltige Masse unter Vakuum in eine Werkzeugkavität gegossen werden. (
Anstatt des Schwenkens eines Mischbehälters wurde in diesem Kontext auch die Einbringung von Füllstoffpartikeln, wie etwa Verstärkungsfasern, unter Verwendung eines Rührwerks und dem Austrag mittels Kolbensystemen beschrieben (
Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften lassen sich durch die Verwendung von Endlosfasern, wie etwa Geweben der Gelegen, erreichen. Die Textilen werden dabei in Form von vorgeformten Halbzeugen aus Glas- oder Kohlenstofffasern, sogenannten Preforms, in den Prozess eingebracht.Excellent mechanical properties can be achieved through the use of continuous filaments such as woven fabrics. The textiles are introduced into the process in the form of preformed semi-finished products of glass or carbon fibers, so-called preforms.
Beim Nasspressverfahren werden die Preforms in einer offenen Form mit dem verwendeten Reaktivsystem benetzt und diese anschließend geschlossen. Unter erhöhter Temperatur kommt es dabei zu einer Aushärtung der reaktiven Matrix. Aus Gründen der Prozessökonomie kann der Harzauftrag auch bereits außerhalb der Form erfolgen, während zeitgleich in der Form ein weiteres Bauteil aushärtet. Diese Vorgehensweise ist z.B. in der
Beim Hochdruck-Harzinjektionsverfahren hingegen, welches bereits breite industrielle Anwendung erfährt, werden Preforms in einem geschlossenen Formgebungswerkzeug mit dem Reaktivsystem imprägniert und Härten anschließend unter Druck und Temperatur aus. Eine nähere Beschreibung des Prozesses gibt die
Für die Injektion reaktiver Matrixkomponenten thermoplastischer Reaktivsysteme haben sich die in der
Ebenfalls anzuführen ist die Verarbeitung von Bulk Molding Compounds (BMC). Wie exemplarisch in
Der Einsatz unverstärkter Bauteile aus Polyamid bzw. Gusspolyamid wird durch deren mechanische Eigenschaften stark limitiert. Insbesondere für strukturelle Anwendungen im Automobil ist zur Erreichung der Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen bei minimalem Gewicht die Verwendung von Verbundbauteilen erforderlich (Dencheva, N. et al.: Preparation of Polyamide-6-Based Thermoplastic Laminate Composites by a Novel In-Mold Polymerization Technique; J. Appl. Polym. Sci. 2014, DOI: 10.1002/APP.40083), um mit Lösungen aus Stahl oder Aluminium konkurrieren zu können.The use of unreinforced components made of polyamide or cast polyamide is severely limited by their mechanical properties. In particular, for structural applications in automobiles, the use of composite components is required to achieve strength and stiffness requirements with minimal weight (Dencheva, N. et al .: Preparation of Polyamide-6-Based Thermoplastic Laminate Composites by a Novel In-Mold Polymerization Technique; J. Appl Polym Sci., 2014, DOI: 10.1002 / APP.40083) to compete with steel or aluminum solutions.
Bei der Verwendung des Spritzgießverfahrens ist die verarbeitbare Faserlänge jedoch auf wenige Millimeter limitiert und beim Plastifiziervorgang kommt es zu einer weiteren Verkürzung der Fasern. Zudem ist das Verfahren nur für geringe Wanddicken im Bauteil geeignet, da sonst die resultierende Kühlzeit nach dem Injektionsvorgang von zu langer Dauer ist und das Verfahren unwirtschaftlich wird. Die mechanischen Eigenschaften spritzgegossener kurzglasfaserverstärkter Bauteile sind zwar jenen aus reinem Polyamid überlegen, der Performancegewinn ist für strukturelle Anwendungen aber zumeist nicht ausreichend. Insbesondere bei dickeren Bauteilen, komplexeren Geometrien oder bei der Verwendung von Endlosfasern wird daher auf reaktive Verarbeitungsverfahren zurückgegriffen.When using the injection molding process, however, the processable fiber length is limited to a few millimeters and the plasticizing process leads to a further shortening of the fibers. In addition, the method is only suitable for small wall thicknesses in the component, since otherwise the resulting cooling time after the injection process of too long duration and the process is uneconomical. Although the mechanical properties of injection-molded short glass fiber reinforced components are superior to those of pure polyamide, the performance gain is usually insufficient for structural applications. Especially in the case of thicker components, more complex geometries or the use of continuous fibers, therefore, reactive processing methods are used.
Der Einsatz offener Sprühverfahren und somit die Verwendung von Langglasfasern bei der Caprolactamverarbeitung ist dabei zwar theoretisch denkbar, scheitert in der Praxis jedoch zumeist an der gravierenden Empfindlichkeit der verwendeten Additive gegenüber Feuchtigkeit aus der direkten Umgebung. Bereits kleinste Mengen reichen hierbei um die verwendeten Katalysatoren zu deaktivieren und es findet nur mehr eine unvollständige Polymerisation statt. Dem kann zwar durch rigorose Inertisierung der Produktionszellen Abhilfe geschaffen werden, eine vollständige Einhausung und bzw. Entfeuchtung ganzer Sprühkabinen ist jedoch sehr aufwändig, welcher das eigentlich sehr wirtschaftliche Fasersprühverfahren nichtmehr kosteneffizient realisierbar macht.Although the use of open spraying processes and thus the use of long glass fibers in caprolactam processing is theoretically conceivable, in practice it usually fails because of the serious sensitivity of the additives used to moisture from the direct environment. Even the smallest amounts are sufficient to deactivate the catalysts used and only incomplete polymerization takes place. Although this can be remedied by rigorous inerting of the production cells, a complete enclosure and / or dehumidification of entire spray booths is very complicated, which makes the actually very economical fiber spraying process not cost-effectively feasible.
Die weiteren bisher für die Verarbeitung von Reaktivschmelzen mit Kurz- oder Langglasfasern präsentierten Konzepte, wie etwa das Vakuumgussverfahren, haben insbesondere Nachteile bei der Verwendung von statischen Mischern. Hier ist nach jedem hergestellten Bauteil eine aufwändige Reinigung oder Erneuerung notwendig. Ein Einsatz unter Serienbedingung konnte noch nicht demonstriert werden.The other concepts previously presented for the processing of reactive melts with short or long glass fibers, such as the vacuum casting process, in particular have disadvantages in the use of static mixers. Here after each manufactured component an elaborate cleaning or renewal is necessary. A use under serial condition could not be demonstrated yet.
Mit endlosfaserverstärkten Verbundbauteilen sind die mechanischen Anforderungen an Strukturbauteile bei niedrigem Bauteilgewicht oftmals sehr gut erreichbar, jedoch muss eine Realisierung auch unter ökonomischen Gesichtspunkten Sinn ergeben.With continuous fiber-reinforced composite components, the mechanical requirements for structural components are often very easy to achieve with a low component weight, but implementation must also make sense from an economic point of view.
Insbesondere die in der Regel mehrstufige Herstellung der im Hochdruck-Harzinjektions bzw. In-situ-Verfahren (T-RTM) verwendeten Preforms aus Geweben oder Gelegen wirkt sich oftmals sehr negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Herstellungsverfahren aus. Zudem bringt die notwendige Vorformung der Preforms teilweise erhebliche geometrische Einschränkungen bei den in der Praxis realisierbaren Umformgraden mit sich.In particular, the generally multi-stage production of the textile or preform preforms used in the high-pressure resin injection or in-situ process (T-RTM) often has a very negative effect on the economic efficiency of the production process. In addition, the necessary preforming of the preforms sometimes entails considerable geometrical limitations in the degree of deformation that can be realized in practice.
Für das Nasspressen ist die Problematik eines offenen Sprüh- bzw. Harzauftragsverfahren vergleichbar mit dem Fasersprühen: Bei der Verwendung von Caprolactam als Matrixkomponente wäre eine vollständige Entfeuchtung der Arbeitsumgebung erforderlich, um eine Schädigung des Reaktivsystems zu unterbinden. Zudem ist der im Nasspressverfahren erreichbare Faservolumengehalt in deutlichem Maße limitiert gegenüber den Hochdruck-Injektionsverfahren.For wet pressing, the problem of an open spray or resin application method is comparable to fiber spraying: When using caprolactam as the matrix component, complete dehumidification of the working environment would be necessary in order to prevent damage to the reactive system. In addition, the fiber volume content achievable in the wet-pressing process is significantly limited in comparison with the high-pressure injection methods.
Eine Verarbeitung gefüllter, also mit Füllstoffen oder Verstärkungsfasern versetzter, Matrixkomponenten mit Hochdruckdosieranlagen bringt ebenfalls einige Nachteile mit sich. Zunächst ist dabei eine entsprechende Adaption der Maschinentechnik notwendig, da die üblicherweise eingesetzten Speise- und Dosierpumpen nicht ausreichend abbrasionsbeständig und somit auch nicht für die Förderung gefüllter Systeme geeignet sind. Diese müssen durch Tandem-Doppelkolbenpumpensysteme ersetzt werden. Ferner ist es aus Verschleißgründen zumeist erforderlich einzelne Maschinenbestandteile, insbesondere im Bereich des Mischkopfes, zu härten bzw. aus keramischen Hartstoffen auszuführen. Zudem ist besonders bei hoch-gefüllten Systemen oftmals ein inhomogener Materialaustrag zu beobachten. Insbesondere kann es passieren, dass während Stillstandszeiten Zuschlagstoffe in den Tagesbehältern sedimentieren und nichtmehr vollständig gelöst bzw. in den Kreislauf gebracht werden. Dies bringt eine ungewünschte Änderung der Rezeptur und somit der Verarbeitungs-, als auch der Bauteileigenschaften mit sich.A processing filled, so offset with fillers or reinforcing fibers, matrix components with Hochdruckdosieranlagen also brings some disadvantages. First of all, a corresponding adaptation of the machine technology is necessary, since the commonly used feed and metering pumps are not sufficient Abbrasionsbeständig and thus not suitable for the promotion of filled systems. These must be replaced by tandem double piston pump systems. Furthermore, for reasons of wear, it is usually necessary to harden individual machine components, in particular in the region of the mixing head, or to carry them out of ceramic hard materials. In addition, an inhomogeneous material discharge is often observed, especially in highly-filled systems. In particular, it may happen that during downtime aggregates sediment in the day containers and not completely dissolved or brought into the circulation. This brings an undesirable change in the recipe and thus the processing, as well as the component properties with it.
Bulk Molding Compounds (BMC) basieren zumeist auf Polyester- oder Vinylesterharzen, thermoplastische Systeme für die Großserie werden bisher nicht angeboten.Bulk molding compounds (BMC) are mostly based on polyester or vinyl ester resins, thermoplastic systems for mass production are not yet offered.
Trotz der Vielzahl verfügbarer Verfahren zur Verarbeitung faserverstärkter Formmassen ist noch keine befriedigende Lösung für die Verarbeitung kurz- oder langglasfaserverstärkter auf Caprolactam basierender Reaktivsysteme vorgestellt worden. Die feuchtigkeitsempfindlichen Ausgangsstoffe machen dabei die Verwendung offener Sprühverfahren teuer und unrentabel, eine direkte Beimengung der festen Zuschlagstoffe bei der Hochdruckverarbeitung scheitert an den notwendigen Adaptionen bei der Maschinentechnik, auch diese sind aus Kosten- und Verschleißgründen für Serienprozesse nicht attraktiv.Despite the multitude of available processes for processing fiber-reinforced molding compositions, no satisfactory solution for the processing of short- or long-glass fiber-reinforced caprolactam-based reactive systems has yet been presented. The moisture-sensitive starting materials make the use of open spraying expensive and unprofitable, a direct admixture of solid additives in high-pressure processing fails because of the necessary adaptations in machine technology, these are not cost and wear reasons for series processes not attractive.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich von thermoplastischen Harzsystemen, insbesondere solchen die gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit empfindlich sind, hinsichtlich der Verwendung mit Füllstoffen, insbesondere faserhaltigen Füllstoffen, zu erweitern.The invention is therefore based on the object of expanding the field of application of thermoplastic resin systems, in particular those which are sensitive to environmental influences such as moisture, with regard to use with fillers, in particular fiber-containing fillers.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dies geschieht durch ein Injektionssystem mit
- - einem Mischbehälter, welcher mit der Formkavität fließtechnisch verbindbar ist,
- - einer ersten Einbringvorrichtung zum Einbringen des zumindest einen Füllstoffs in den Mischbehälter,
- - einer von der der ersten Einbringvorrichtung gesonderten zweiten Einbringvorrichtung zum gemeinsamen oder getrennten Einbringen der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems in den Mischbehälter und
- - einem Kolben zum gemeinsamen Verbringen der im Mischbehälter befindlichen Mischung aus dem Mischbehälter in die Formkavität.
- a mixing container, which can be connected to the mold cavity in a flow-technical manner,
- a first introduction device for introducing the at least one filler into the mixing container,
- - One of the first introduction device separate second insertion device for the common or separate introduction of the components of the thermoplastic resin system in the mixing container and
- - A piston for jointly bringing the mixture in the mixing container from the mixing container into the mold cavity.
Hinsichtlich eines Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Dies geschieht, indem die Komponenten des thermoplastischen Harzsystems einerseits und der zumindest eine Füllstoff andererseits separat voneinander in einen Mischbehälter eingebracht werden und mittels eins Kolbens aus dem Mischbehälter in die Formkavität überführt werden. Dabei können die Komponenten des thermoplastischen Harzsystems vor und/oder nach dem Einbringen des zumindest einen Füllstoffs in den Mischbehälter eingebracht werden.With regard to a method, the object is solved by the features of
Während ein Großteil der vorgestellten Verarbeitungsverfahren darauf beruht, Fasern und das thermoplastische Harzsystem bereits bei der Aufbereitung der Rohstoffe homogen zu vermischen, wird darauf abgezielt die gegenständliche Problematik des Einbringens von Füllstoffen, insbesondere Verstärkungsstoffen, durch eine kavitätsnahe Einbringung zu lösen. D.h. durch separate Bereitstellung der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und des zumindest einen Füllstoffs und Mischung im Bereich des Formwerkzeugs können Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit und dergleichen, minimiert werden, wobei gleichzeitig verschiedenste Arten von Füllstoffen verwendet werden können.While a large part of the presented processing methods is based on homogeneously mixing fibers and the thermoplastic resin system already during the preparation of the raw materials, the objective is to solve the problem of introducing fillers, in particular reinforcing materials, by introducing them close to the cavity. That By separately providing the components of the thermoplastic resin system and the at least one filler and mixture in the area of the mold, environmental influences, such as moisture and the like, can be minimized while at the same time a wide variety of fillers can be used.
Ein Kernaspekt der Erfindung ist dabei ein (vorzugsweise werkzeugnah angeordneter) Mischbehälter (kann auch als Kammer oder Homogenisierungsvorrichtung bezeichnet werden). In diesem Mischbehälter werden sowohl der zumindest eine Füllstoff (bspw. trockene Fasern) als auch die Komponenten des thermoplastischen Harzsystems (reaktive Matrix) eingebracht. Am Mischbehälter ist ein Kolben (im Folgenden auch als Injektionskolben bezeichnet) vorgesehen, mittels dessen ein Volumen des Mischbehälters variiert werden kann und insbesondere eine im Mischbehälter vorhandene Mischung in die Formkavität des Formwerkzeugs überführt werden kann.A core aspect of the invention is a (preferably arranged close to the tool) mixing container (can also be referred to as a chamber or homogenizer). In this mixing container, both the at least one filler (for example dry fibers) and the components of the thermoplastic resin system (reactive matrix) are introduced. At the mixing container, a piston (hereinafter also referred to as injection piston) is provided by means of which a volume of the mixing container can be varied and in particular a mixture present in the mixing container can be transferred into the mold cavity of the molding tool.
Die Mischung im Mischbehälter liegt vor, sobald sich eine oder mehrere Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und der zumindest einen Füllstoff im Mischbehälter befinden.The mixture in the mixing container is present as soon as one or more components of the thermoplastic resin system and the at least one filler are in the mixing container.
Optional kann der Mischbehälter in einen Anguss der Formkavität integriert sein. Des Weiteren ist der Mischbehälter mit der Kavität verbindbar bzw. verbunden, sodass eine mit Verstärkungs- und/oder Füllstoffen versetzte reaktive Mischung aus dem Mischbehälter in die Formkavität überführbar ist. Dieser Verbringung der gefüllten reaktiven Mischung dient der (Injektions-)Kolben welcher in bzw. am Mischbehälter angeordnet ist.Optionally, the mixing container can be integrated into a sprue of the mold cavity. Furthermore, the mixing container can be connected or connected to the cavity so that a reactive mixture mixed with reinforcing agents and / or fillers can be transferred from the mixing container into the mold cavity. This movement of the filled reactive mixture serves the (injection) piston which is arranged in or on the mixing container.
Unter einem Reaktivsystem im Allgemeinen versteht der Fachmann eine aus einer oder mehreren Komponenten bestehende Matrix, welche unter erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur und/oder durch Beimengung eines Initiators in einer chemischen Reaktion zu einem Kunststoff ausreagiert. Bei der chemischen Reaktion kann es sich um eine Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition, oder eine pericyclische Reaktion handeln.By a reactive system in general, the person skilled in the art will understand a matrix consisting of one or more components, which may be mentioned below increased pressure and / or elevated temperature and / or reacted by addition of an initiator in a chemical reaction to a plastic. The chemical reaction may be a polymerization, polycondensation, polyaddition, or pericyclic reaction.
Unter einem thermoplastischen Reaktivsystem (auch thermoplastisches Matrixsystem oder thermoplastisches Harzsystem) im Besonderen versteht der Fachmann ein Reaktivsystem, welches in einer chemischen Reaktion zu einem thermoplastischen Kunststoff ausreagiert. Zumeist, aber nicht ausschließlich, liegt eine Polymerisation als Reaktionstyp zu Grunde. Hier wird der Ausdruck „thermoplastisches Harzsystem“ für solche Systeme verwendet.By a thermoplastic reactive system (also thermoplastic matrix system or thermoplastic resin system) in particular, the skilled person understands a reactive system which reacts in a chemical reaction to a thermoplastic material. For the most part, but not exclusively, polymerization is the reaction type. Here, the term "thermoplastic resin system" is used for such systems.
Schutz wird ebenfalls für eine Formgebungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektionssystem begehrt. Unter Formgebungsmaschinen können dabei Spritzpressen, Pressen, aber auch Spritzgießmaschinen und dergleichen verstanden werden.Protection is also desired for a molding machine having an injection system according to the invention. Under molding machines can be understood as transfer molding, pressing, but also injection molding and the like.
Außerdem wird Schutz für die Verwendung des erfindungsgemäßen Injektionssystems oder der erfindungsgemäßen Formgebungsmaschine zum Einbringen der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und des Füllstoffs in eine Formkavität des Formwerkzeugs begehrt.In addition, protection for the use of the injection system of the invention or the molding machine of the invention for introducing the components of the thermoplastic resin system and the filler into a mold cavity of the mold is desired.
Durch die Verwendung des Kolbens zum Verbringen der Mischung direkt nach dessen Erzeugung kann das thermoplastische Harzsystem zusammen mit dem zumindest einen Füllstoff durch Fließpressen in die Formkavität befördert werden. Dies ermöglicht gleichzeitig eine saubere Füllung der Formkavität und eine homogene Verteilung des zumindest einen Füllstoffs.By using the piston to dispose the mixture immediately after it has been produced, the thermoplastic resin system together with the at least one filler can be conveyed by extrusion into the mold cavity. This allows at the same time a clean filling of the mold cavity and a homogeneous distribution of the at least one filler.
Einzelne Aspekte und Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Folgenden beschrieben und in den abhängigen Ansprüchen definiert.Individual aspects and further developments of a method according to the invention are described below and defined in the dependent claims.
Der Mischbehälter kann - insbesondere luft- und/oder vakuumdicht - verschließbar sein. Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit und Fremdstoffe sind dadurch besonders leicht zu vermeiden.The mixing container can - in particular air and / or vacuum-tight - be closed. Environmental influences, such as moisture and foreign substances, are therefore particularly easy to avoid.
Der Mischbehälter kann auch beheizbar sein.The mixing container can also be heated.
Zuerst können - vorzugsweise trockene - Füllstoffe wie beispielsweise Fasermaterial oder eine Mischung mit nicht faserartigen Füllstoffen in den Mischbehälter eingebracht werden. Bei diesen Füllstoffen kann es sich um Glasfaser, Carbonfasern, Aramidfaser, anorganische Füllstoffe, Pigmente, Flammschutzmittel und dergleichen handeln. Auch Schnittglasfasern oder mittels Schneidwerk zerkleinerte Glasfaserbündel (Rovinge) sind denkbar.First, fillers such as fibrous material or a mixture with non-fibrous fillers, preferably dry fillers, may be introduced into the mixing vessel. These fillers may be glass fiber, carbon fibers, aramid fiber, inorganic fillers, pigments, flame retardants and the like. It is also conceivable to use cut glass fibers or glass fiber bundles (rovings) comminuted by a cutting unit.
Es kann vorgesehen sein, dass der Mischbehälter mittels eines Verschlusselements - insbesondere luftdicht und/oder vakuumdicht - verschließbar ist. Der Mischbehälter kann dadurch nach der Faserzugabe verschlossen werden. Bevorzugt findet ein Schließen der Homogenisierungsvorrichtung gemeinsam mit dem Schließen des zugehörigen Formgebungswerkzeugs statt. Besonders bevorzugt wird die Schließbewegung durch die Bewegung einer horizontal- oder vertikal schließenden Schließeinheit oder Presse durchgeführt. Natürlich kann der Mischbehälter auch separat von der Schließeinheit mittels eines Verschlusselements geöffnet und verschlossen werden.It can be provided that the mixing container by means of a closure element - in particular airtight and / or vacuum-tight - is closed. The mixing container can thereby be closed after the fiber addition. Preferably, closing of the homogenizing device takes place together with the closing of the associated forming tool. Particularly preferably, the closing movement is performed by the movement of a horizontally or vertically closing closing unit or press. Of course, the mixing container can also be opened and closed separately from the closing unit by means of a closure element.
Dafür kann vorgesehen sein, dass
- - der Mischbehälter an einem ersten Bauteil des Formwerkzeugs und/oder einer ersten Formaufspannplatte einer das Formwerkzeug tragenden Formaufspannplatte einer Formgebungsmaschine so befestigbar - insbesondere montiert - ist und
- - das Verschlusselement an einem zweiten Bauteil des Formwerkzeugs und/oder einer ersten Formaufspannplatte einer das Formwerkzeug tragenden, relativ zur ersten Formaufspannplatte bewegbaren zweiten Formaufspannplatte einer Formgebungsmaschine so befestigbar - insbesondere montiert - ist,
- - The mixing container to a first component of the mold and / or a first mold mounting plate of the mold-carrying mold mounting plate of a molding machine so fastened - in particular mounted - and
- the closure element is fastened to a second component of the molding tool and / or a first mold clamping plate of a second mold mounting plate of a forming machine that carries the mold and is movable relative to the first mold mounting plate - in particular mounted -
Es kann eine Evakuiervorrichtung zum Evakuieren des Mischbehälters und/oder der Formkavität vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Mischbehälter vor dem Einbringen des thermoplastischen Harzsystems evakuiert werden, beispielsweise um einer Kontamination des thermoplastischen Harzsystems entgegenzuwirken.There may be provided an evacuation device for evacuating the mixing container and / or the mold cavity. In a preferred embodiment of the invention, the mixing vessel may be evacuated prior to introduction of the thermoplastic resin system, for example, to counteract contamination of the thermoplastic resin system.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Gaseinbringungsvorrichtung zum Inertisieren des Mischbehälters mittels eines Schutz- oder Spülgases vorgesehen sein. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann der Mischbehälter vor dem Einbringen des thermoplastischen Harzsystems mit einem Schutz- oder Spülgas inertisiert werden. Besonders vorteilhaft kann dabei die Kombination eines vorhergehenden Evakuierungs- und nachträglichen Spülvorgangs sein. Als Schutz- oder Spülgas eignen sich dabei beispielsweise Argon, Stickstoff oder getrocknete Luft.Alternatively or additionally, a gas introduction device for inerting the mixing container by means of a protective or purge gas may be provided. In such an embodiment of the invention, the mixing vessel may be rendered inert prior to introduction of the thermoplastic resin system with a protective or purge gas. Particularly advantageous may be the combination of a previous evacuation and subsequent rinsing process. For example, argon, nitrogen or dried air are suitable as protective or purge gas.
Das thermoplastische Harzsystem kann dem Mischbehälter bereits in gemischter Form zugeführt werden. Alternativ ist auch eine Zuführung zweier oder mehrerer reaktiver Komponenten zu einem am Mischbehälter angeordneten Mischsystem möglich. Bei einem solchen Mischsystem kann es sich um ein lineares Mischsystem, einen Umlenkmischkopf, einen Hochdruckmischkopf, ein lineares Angusssystem oder einen Statikmischer handeln. The thermoplastic resin system can already be supplied to the mixing vessel in mixed form. Alternatively, it is also possible to supply two or more reactive components to a mixing system arranged on the mixing container. Such a mixing system may be a linear mixing system, a diverter mixing head, a high pressure mixing head, a linear gating system or a static mixer.
Die Anordnung des Mischsystems für das reaktive Harzsystem am Mischbehälter (für die Mischung mit dem zumindest einen Füllstoff) ist prinzipiell frei wählbar. Es ergeben sich aber vorteilhafte Anordnungen, wenn aus Platzgründen die Komponentenzuführung des reaktiven Harzsystems und der Mischbehälter in einen Injektions- oder Gegenkolben integriert werden oder der Mischbehälter von unten her mit dem reaktiven Harzsystem befüllt wird. Es kann dadurch ein steigender Füllvorgang, und somit eine Verdrängung von Restluft aus der Homogenisierungszone erreicht werden. Bei ausreichender Leistung der Evakuiervorrichtung kann der Füllvorgang des Mischbehälters ähnlich einem Vakuuminfusionsverfahren aktiv unterstützt werden.The arrangement of the mixing system for the reactive resin system at the mixing container (for the mixture with the at least one filler) is in principle freely selectable. However, advantageous arrangements result when, for reasons of space, the component feed of the reactive resin system and the mixing container are integrated into an injection or counter-piston or the mixing container is filled from below with the reactive resin system. It can thereby be achieved an increasing filling process, and thus a displacement of residual air from the homogenization zone. With sufficient power of the evacuation device, the filling process of the mixing container can be actively supported similar to a vacuum infusion process.
Die Zuführung der einzelnen Komponenten des reaktiven Harzsystems kann dabei im Prinzip auf beliebige Weise realisiert werden. Es kann beispielsweise auf bereits bekannte Systeme mit Kolben- oder Pumpenförderung zurückgegriffen werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Aufbereitung des reaktiven Harzsystems auch in einem (vorzugsweise gleichlaufenden) Doppelschneckenextruder durchgeführt werden. Hierbei werden beispielsweise ε-Caprolactam sowie geeignete Additive im Einzugsbereich des Doppelschneckenextruders zugegeben und homogenisiert. Auch eine teilweise oder vollständige Füllstoffzugabe ist in diesem Schritt bereits möglich.The supply of the individual components of the reactive resin system can be realized in principle in any way. It can be used for example on already known systems with piston or pump delivery. In an alternative embodiment, the treatment of the reactive resin system can also be carried out in a (preferably concurrent) twin-screw extruder. In this case, for example, ε-caprolactam and suitable additives in the catchment area of the twin-screw extruder are added and homogenized. A partial or complete filler addition is already possible in this step.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der zumindest eine Füllstoff, insbesondere die Fasern, bereits während des Einbringens in den Mischbehälter mit einer reaktiven Matrix durchtränkt werden. Dies kann zum Beispiel durch Tränkung von Faserrovingen in einem dafür vorgesehenen Bad und anschließenden Zerschneiden oder Häckseln geschehen.In a further embodiment of the invention, the at least one filler, in particular the fibers, can already be impregnated during the introduction into the mixing container with a reactive matrix. This can be done for example by impregnation of fiber rovings in a designated bath and subsequent cutting or shredding.
Der im Mischbehälter befindliche Füllstoff oder die im Mischbehälter befindliche Mischung kann mittels des Kolbens (Injektionskolbens) komprimierbar sein. Eine deutlich homogenere Verteilung des zumindest einen Füllstoffs in der Mischung kann dadurch erreicht werden. Diese Homogenisierung der Mischung kann in der Praxis wichtig sein, beispielsweise um gefüllte (d.h. beispielsweise faserverstärkte) Formteile mit hoch reproduzierbaren (mechanischen) Eigenschaften zu fertigen.The filler in the mixing container or the mixture in the mixing container can be compressible by means of the piston (injection piston). A much more homogeneous distribution of the at least one filler in the mixture can thereby be achieved. This homogenization of the mixture may be important in practice, for example to produce filled (i.e., fiber reinforced) moldings having highly reproducible (mechanical) properties.
Der zumindest eine Füllstoff, insbesondere die Fasern, kann beispielsweise nach dem Schließen des Mischbehälters und einer optionalen Evakuierung durch einen Kompressionshub des Kolbens komprimiert werden. Dadurch kann der zumindest eine Füllstoff mit den Komponenten des thermoplastischen Harzsystems imprägniert werden.The at least one filler, in particular the fibers, can be compressed, for example, after closing the mixing container and an optional evacuation by means of a compression stroke of the piston. Thereby, the at least one filler can be impregnated with the components of the thermoplastic resin system.
Die Injektion der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems kann dabei zeitlich vor, nach oder während des Kompressionshubs erfolgen. Als thermoplastisches Harzsystem kommen beispielsweise Zweikomponenten-Reaktivsysteme, bevorzugt Caprolactam-basierende Systeme, zur Polyamidherstellung zum Einsatz.The injection of the components of the thermoplastic resin system can take place before, after or during the compression stroke. As a thermoplastic resin system, for example, two-component reactive systems, preferably caprolactam-based systems for polyamide production are used.
Bevorzugt findet eine Kompression statt, bevor der Eintrag der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems abgeschlossen ist, da auf diese Weise eine verbesserte Imprägnierung der Fasern mit den Komponenten des thermoplastischen Harzsystems erreicht werden kann. Alternativ kann auch eine Komprimierung der Mischung, d.h. nach Einbringung der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und des zumindest einen Füllstoffs erfolgen.Compression preferably takes place before the entry of the components of the thermoplastic resin system is completed, since in this way improved impregnation of the fibers with the components of the thermoplastic resin system can be achieved. Alternatively, compression of the mixture, i. after incorporation of the components of the thermoplastic resin system and the at least one filler.
Es kann auch zumindest ein weiterer Kolben vorgesehen sein, mittels dessen ein Volumen des Mischbehälters veränderbar und/oder verschiebbar ist. Auch der zumindest eine weitere Kolben kann zum Komprimieren des zumindest einen Füllstoffs und/oder der Mischung im Mischbehälter dienen.It is also possible to provide at least one additional piston, by means of which a volume of the mixing container can be changed and / or displaced. The at least one further piston can also serve for compressing the at least one filler and / or the mixture in the mixing container.
Der zumindest eine weitere Kolben kann dabei als Gegenkolben zum Injektionskolben ausgebildet sein.The at least one further piston can be designed as an opposing piston to the injection piston.
Auch Ausführungsformen mit zwei weiteren, vom Injektionskolben separaten Kolben, die vorzugsweise einander entgegengesetzt wirken (Gegenkolben), sind denkbar. Die Lage einer Homogenisierungszone im Mischbehälter lässt sich dadurch so variieren und verschieben, dass sich eine Absperrung der Homogenisierungszone gegenüber der Kavität ergibt. Bei einer Lösung mit zumindest zwei weiteren Kolben kann dafür optional auf die Absperrvorrichtung verzichtet werden.Embodiments with two additional pistons, which are separate from the injection piston and which preferably act counter to one another (counter-piston), are also conceivable. The position of a homogenization zone in the mixing container can be varied and shifted in such a way that there is a shut-off of the homogenization zone with respect to the cavity. In a solution with at least two additional pistons, the shut-off device can optionally be dispensed with.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mischbehälter mit zumindest einem Drucksensor zur Messung des Innendruckes ausgestattet. Auf diese Weise lassen sich sowohl der Druck bei der Imprägnierung der Fasern, bei einem etwaigen Kompressionsschritt, als auch beim Überführen der gefüllten Mischung in die Kavität messen.In a preferred embodiment of the invention, the mixing vessel is equipped with at least one pressure sensor for measuring the internal pressure. In this way, both the pressure in the impregnation of the fibers, at a possible compression step, as well as the transfer of the filled mixture into the cavity can be measured.
Durch Injektion der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und Vermischung mit dem vorgelegten zumindest einen Füllstoff, insbesondere den Fasern, entsteht ein gefülltes Reaktivsystem.By injection of the components of the thermoplastic resin system and mixing with the presented at least one filler, In particular, the fibers, creates a filled reactive system.
Die Imprägnierung der Fasern kann dabei durch externe Hilfsmittel zur Unterstützung der Konvektion, wie beispielsweise dem Eintrag von Ultraschallwellen unterstützt werden.The impregnation of the fibers can be assisted by external aids to support the convection, such as the entry of ultrasonic waves.
Es kann aber auch ein Rührwerk zur Unterstützung der Durchmischung im Mischbehälter vorgesehen sein.But it can also be provided a stirrer to support the mixing in the mixing vessel.
Nach dem Mischen im Mischbehälter kann die Mischung, insbesondere das gefüllte Reaktivsystem, in die Formkavität überführt werden. Die Überführung wird durch den Injektionskolben bewerkstelligt, dessen Hub das Volumen der Homogenisierungszone entsprechend reduzieren kann. Optional kann zwischen Formkavität und Mischbehälter eine Absperrvorrichtung realisiert sein, welche vor Beginn der Überführung der Mischung, insbesondere des gefüllten Reaktivsystems, geöffnet werden muss.After mixing in the mixing vessel, the mixture, in particular the filled reactive system, can be transferred into the mold cavity. The transfer is accomplished by the injection piston, the stroke of which can correspondingly reduce the volume of the homogenization zone. Optionally, a shut-off device can be realized between the mold cavity and the mixing container, which must be opened before the transfer of the mixture, in particular the filled reactive system, begins.
Für das homogene Überführen des gefüllten Reaktivsystem kann eine Viskosität von zumindest 100 mPas, vorzugsweise 250 mPas und besonders bevorzugt 500 mPas, von Vorteil sein. Eine zu geringe Viskosität birgt das Risiko einer Entmischung von des Füllstoffs, insbesondere der Fasern, und der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und somit einem inhomogenen oder unzureichenden Übertrag des zumindest einen Füllstoffs, insbesondere der Fasern, in die Formkavität des Formwerkzeugs.For the homogeneous transfer of the filled reactive system, a viscosity of at least 100 mPas, preferably 250 mPas and particularly preferably 500 mPas, may be advantageous. Too low a viscosity entails the risk of segregation of the filler, in particular of the fibers, and of the components of the thermoplastic resin system and thus of an inhomogeneous or insufficient transfer of the at least one filler, in particular of the fibers, into the mold cavity of the molding tool.
Bereits nach der Mischung der Komponenten des reaktiven Harzsystems und somit vorzugsweise mit Eintrag in den Mischbehälter startet die chemische Reaktion des thermoplastischen Harzsystems. Diese führt mit fortschreitendem Reaktionsumsatz in der Regel zu einem Anstieg der Viskosität. Ab einem gewissen, materialabhängigen Umsatzgrad kommt es bei den meisten reaktiven Harzsystemen zum Angelieren der reaktiven Masse und diese ist nicht mehr fließfähig. Die Zeitdauer der Injektion der Komponenten des thermoplastischen Harzsystems und der Kompression des gefüllten Reaktivsystem wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein ausreichender Anstieg der Viskosität durch die einsetzende Polymerisationsreaktion erreicht wird, um eine nachfolgende homogene Überführung des gefüllten Reaktivsystem in die Kavität zu gewährleisten. Die höhere Viskosität führt in diesem Szenario zu einer Reduktion von Sedimentationserscheinungen des zumindest einen Füllstoffs, vorzugsweise der Fasern. Zudem wird durch die höhere Viskosität die Abdichtung der Formkavität deutlich erleichtert, auch Tauchkantenwerkzeuge vergleichbar mit der SMC- oder Prepreg-Compression-Technologie sind somit einsetzbar.Already after the mixing of the components of the reactive resin system and thus preferably with entry into the mixing container, the chemical reaction of the thermoplastic resin system starts. As the reaction progresses, this usually leads to an increase in the viscosity. From a certain, material-dependent degree of conversion occurs in most reactive resin systems for fishing the reactive mass and this is no longer flowable. The duration of injection of the components of the thermoplastic resin system and the compression of the filled reactive system is preferably chosen so that a sufficient increase in the viscosity is achieved by the onset of polymerization reaction to ensure a subsequent homogeneous transfer of the filled reactive system in the cavity. The higher viscosity leads in this scenario to a reduction of sedimentation phenomena of the at least one filler, preferably the fibers. In addition, the higher viscosity significantly facilitates the sealing of the mold cavity, so that dip edge tools comparable to SMC or prepreg compression technology can also be used.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Formkavität, in welche die Überführung der Mischung, insbesondere des gefüllten Reaktivsystem, erfolgt, vorher evakuiert werden. Alternativ dazu kann auch eine vorherige Druckbeaufschlagung durchgeführt werden, um eine homogenere Fließfront bzw. Injektion zu erreichen.In a further embodiment of the invention, the mold cavity into which the transfer of the mixture, in particular of the filled reactive system takes place, can be evacuated beforehand. Alternatively, prior pressurization may be performed to achieve a more homogeneous flow front or injection.
Ebenfalls können vor der Überführung der Mischung in die Formkavität bereits Verstärkungsstrukturen, wie z.B. Faserpreforms oder Wabenstrukturen, aber beispielsweise auch Metall-Inserts, in die Formkavität eingelegt werden.Likewise, prior to transfer of the mixture into the mold cavity, reinforcing structures, e.g. Faserpreforms or honeycomb structures, but for example, metal inserts, are inserted into the mold cavity.
Nach abgeschlossener Überführung der Mischung in die Kavität kann optional die Absperrvorrichtung wieder verschlossen werden. Der Aufbau des gewünschten Druckes in der Kavität kann dabei sowohl durch den Injektionskolben, aber auch zumindest teilweise durch eine Schließeinheit der Formgebungsmaschine erfolgen. Dadurch ist es möglich sowohl während der Verbringung, aber auch während der fortschreitenden Polymerisation das gewünschte Druckprofil in der Kavität zu realisieren.After completion of the transfer of the mixture into the cavity can optionally be closed again the shut-off device. The structure of the desired pressure in the cavity can be effected both by the injection piston, but also at least partially by a closing unit of the shaping machine. This makes it possible to realize the desired pressure profile in the cavity both during the transfer, but also during the progressive polymerization.
Nach dem Ablauf der Reaktionszeit kann sowohl das Bauteil, als auch der Anguss entformt werden. Dies kann beispielsweise automatisiert erfolgen, wobei eine gemeinsame Entformung von Bauteil und Anguss aus prozesstechnischer Sicht durchaus von Vorteil sein kann.After the reaction time, both the component, and the sprue can be removed from the mold. This can be done automatically, for example, with a common demolding of component and sprue from the process engineering point of view may be quite beneficial.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus den Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
-
1 ,2 ,3a sowie 4bis 8 ein erfindungsgemäßes Injektionssystems in verschiedenen Verfahrensstadien und -
3b sowie 9bis 13 verschiedene weitere Ausführungsbeispiele mit alternativen oder zusätzlichen Maßnahmen.
-
1 .2 .3a and FIGS. 4 to 8 show an injection system according to the invention in various stages of the method and -
3b and 9 to 13 different further embodiments with alternative or additional measures.
Des Weiteren ist ein Verschlusselement
In
In
In
Optional kann die Mischung
Bei Ausführungsformen, die einen Kompressionshub des Kolben
In
Auch in
In
In dieser Anordnung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Injektionssysteminjection system
- 22
- Formwerkzeugmold
- 3 a,b3 a, b
- erstes und zweites Bauteil des Formwerkzeugsfirst and second component of the mold
- 4 a,b4 a, b
- beheizbare Schläucheheated hoses
- 55
- KomponentenmischsystemComponent mixing system
- 6 a,b6 a, b
- Steuerschieberspool
- 7 a,b7 a, b
- verschließbare Austragsleitungenlockable discharge lines
- 88th
- Auslaufbereich (Mischbereich)Outlet area (mixing area)
- 99
- (Injektions-)kolben(Injection) piston
- 1010
- AbsperrvorrichtungShut-off
- 1111
- Fasernfibers
- 1212
- Schneidwerkcutting
- 1313
- Endlosfaserncontinuous fibers
- 1414
- Mischbereichmixing area
- 1515
- Vakuumleitungvacuum line
- 1616
- Vakuumpumpevacuum pump
- 1717
- Ultraschallemitterultrasonic emitter
- 1919
- Verbundbauteilcomposite component
- 2020
- Angusssprue
- 2121
- MischkammerrestMixing chamber Rest
- 2222
- Gegenkolbenopposed piston
- 3131
- erste Einbringvorrichtungfirst introduction device
- 3232
- zweite Einbringvorrichtungsecond insertion device
- 3333
- Mischungmixture
- 3434
- Mischbehältermixing tank
- 3535
- Formkavitätmold cavity
- 3636
- Verschlusselementclosure element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 0995567 B1 [0004]EP 0995567 B1 [0004]
- DE 102009011900 B3 [0005]DE 102009011900 B3 [0005]
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- EP 2492074 A1 [0011]EP 2492074 A1 [0011]
- AT 515952 B1 [0012]AT 515952 B1 [0012]
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Also Published As
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