DE102020112445A1

DE102020112445A1 - Verfahren zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen

Info

Publication number: DE102020112445A1
Application number: DE102020112445.7A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kroll; Camilo Zopp; Erik Päßler; Udo Engelmann; Isabelle Roth-Panke
Original assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen, mit einer Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Innenhochdruck-Umformung, wobei mittels Spritzgießen eine Kunststoffschmelze in ein Spritzgießwerkzeug mit einer Nebenkavität zur Herstellung eines Bauteils eingebracht wir. Im Inneren des Werkzeugs ist eine, sich an der Wandung des Werkzeuges zumindest bereichsweise abstützende, faserverstärkte Einlegestruktur angeordnet, wobei die faserverstärkte Einlegestruktur Sollbruchstellen im Bereich der Nebenkavität aufweist, die vor der Nebenkavität positioniert ist und wobei die Kunststoffschmelze entlang der faserverstärkten Einlegestruktur fließt und im Bereich der Sollbruchstellen der Fasern diese durch einen einwirkenden Druck auf die Fasern aufbricht und unter Mitnahme von Fasern aus der faserverstärkten Einlegestruktur in die Nebenkavität fließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen mittels einer Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Innenhochdruck-Umformung und findet insbesondere für die Herstellung von Hohlkörpern mit zylindrischen sowie nicht runden Querschnitten Anwendung.
Die Druckschrift DE 10 2012 004 168 A1 zeigt ein Verfahren zum Spritzgießen von Hohlkörpern mit Endlosfaser-Verstärkungselementen. Gemäß dem Verfahren werden Schlauchgeflechte aus (Endlos-) Kunststofffasern beschrieben, die im Spritzgießwerkzeug positioniert werden und anschließend bei der Injektion von Kunststoffschmelze von derselben durch die Verwendung niedrig dichter Geflechte durchströmt werden. Darüber hinaus wird im nächsten Schritt ein Verfahren der Fluidinjektionstechnik angewendet, wobei die Kunststoffschmelze durch die Verwendung niedrig dichter Geflechte der T-Preforms deren Öffnungen (Maschen) durchströmt und die Werkzeugwand benetzt.
Aus der Druckschrift DE 197 47 021 B4 sind verschiedene Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper mit eingelegten Faserelementen bekannt, wobei eine Durchströmung der Geflechte mit Kunststoffschmelze von innen heraus erfolgt. Es werden Schlauchgeflechte aus Endlosfasern ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend mittels Schmelze- und Gasinjektion, Hohlkörper mit definierter Faserorientierung für besondere mechanische Belastungen hergestellt. Zur Positionierung und Fixierung der Geflechte werden Vorrichtungen verwendet, die als Einlegeteile ausgeführt sind und als Funktionsteile am Formteil verbleiben oder Vorrichtungen, die in ein Spritzgießwerkzeug integriert sind. Zudem werden Formteilen wie Rippen erzeugt und eine kontrollierte Faseranordnung erreicht. Das in der Druckschrift genannte Verfahren ist jedoch relativ aufwändig und benötigt viele einzelne Verfahrensschritte.
Die Druckschrift DE 10 2015 109 597 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dekorierten Kunststoffformkörpers in mehreren Verfahrensschritten. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Grundkörper aus einem Faserverbundkunststoff sowie folgend eine Dekorfolie bereitgestellt. Anschließend erfolgt das Aufheizen des Grundkörpers und die Verbindung des Grundkörpers und der Dekorfolie in einem Formwerkzeug. Mit dem beschriebenen Verfahren können faserverstärkte Elemente, wie z.B. Rippenkörper, Dome oder Clips, die durch Spritzguss hergestellt werden. Des Weiteren verwendet das Verfahren durch das Umformen freigelegte anorganische oder organische Verstärkungsfasern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen mittels einer Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Innenhochdruck-Umformung zu entwickeln, welches einen einfachen Aufbau mit reduziertem Aufwand gegenüber dem Stand der Technik und eine Reduzierung versagenskritischer Spannungsunstetigkeiten an der Grenzfläche von FKV/Kunststoff-Strukturen infolge üblicher Steifigkeitssprünge aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem Spritzgießverfahren wird zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen eine Kunststoffschmelze in ein Spritzgießwerkzeug mit einer Nebenkavität zur Herstellung eines Bauteils eingebracht. Im Inneren des Werkzeugs ist eine, sich an der Wandung des Werkzeuges zumindest bereichsweise abstützende, faserverstärkte Einlegestruktur angeordnet, wobei die faserverstärkte Einlegestruktur Sollbruchstellen im Bereich der Nebenkavität aufweist. Beim Einspritzen der Kunststoffschmelze fließt diese entlang der faserverstärkten Einlegestruktur, wobei die Schmelze im Bereich der Sollbruchstellen der Fasern diese durch einen einwirkenden Druck auf die Fasern aufbricht und unter Mitnahme von Fasern aus der faserverstärkten Einlegestruktur in die Nebenkavität fließt, wobei die Fasern in Fließrichtung aufgestellt werden. Die, in die Nebenkavität fließende, Kunststoffschmelze wird in Form von Rippen, Clipsen, Domen, komplexeren Formen oder ähnlichem an dem Bauteil ausgebildet. Die so erzeugte Verstärkungskomponente zeichnet sich durch freiliegende Fasern im Hohlprofil und/oder im Umfangsbereich aus.
Das Bauteil ist bevorzugt in Form eines Hohlkörpers ausgebildet ist, wobei mittels eines gas- oder fluidähnlichen Mediums die überschüssige Kunststoffschmelze aus dem Hohlprofil ausgetrieben wird.
Das Hohlprofil wird derart erzeugt, dass mittels des Mediums eine bestimmte Menge der Kunststoffschmelze in die Nebenkavität fließt, so dass diese vollständig ausgeformt wird.
Die Kunststoffschmelze liegt in Form einer thermoplastischen oder duroplastischen Schmelze vor. Die faserverstärkte Einlegestruktur ist in Form eines textilen Halbzeuges als Verstärkungselement ausgebildet, wobei das textile Halbzeug bevorzugt eine Kurz-, Lang- oder Endlosfaserverstärkung aufweist, die besonders bevorzugt geflochten, gewickelt, gewoben oder gestrickt vorliegt.
Die faserverstärkte Einlegestruktur kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein, wobei die Fasern derart ausgestaltet sind, dass die Sollbruchstellen in Form von Perforationen ausgebildet sind. Bei Druckbeaufschlagung mit der Kunststoffschmelze werden diese im Bereich der Nebenkavität aufgebrochen, so dass die Kunststoffschmelze unter Mitnahme und in Fließrichtung die Fasern in der Nebenkavität aufstellen. Das textile Halbzeug kann dabei trocken oder mit einem Polymer vorimprägniert sein. Darüber hinaus sollen auch definiert eingebrachte Fadenreserven zum Ausrichten der Fasern genutzt werden.
Die Kunststoffschmelze soll vorzugsweise an den engen Radien bzw. den definierten Kerben austreten und die WerkzeugNebenkavität füllen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Werkzeugs mit einer Einlegestruktur,
2 das Einfließen der Kunststoffschmelze,
3 das Einfließen in die Nebenkavität des Werkzeugs,
4 die Kunststoffschmelze mit aufgebrochenen Fasern in der Nebenkavität,
5 ein Medium zum Verdrängen der überschüssigen Schmelze,
6 das Bauteil mit einem Nebenformelement in dem Werkzeug,
7 das Bauteil mit dem Nebenformelement nach Entnahme aus dem Werkzeug.

In den 1 bis 7 ist die schrittweise Verfahrenskombination zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen schematisch dargestellt, wobei nur ein Ausschnitt des Werkzeuges und Bauteils dargestellt ist.
In einem ersten Schritt wird in einem Werkzeug 1 eine faserverstärkte Einlegestruktur 2 eingelegt, wobei sich die faserverstärkte Einlegestruktur 2 an der Innenwandung des Werkzeuges 1 abstützt oder lokal mit dem rotationsförmigen Körper verbunden ist. Das herzustellende Bauteil ist in dem dargestellten Beispiel in Form eines Hohlzylinders mit einem Nebenformelement ausgebildet, wobei auch anderweitige Bauteilformen möglich sind. In der Innenwandung des Werkzeuges 1 ist eine Nebenkavität 3 ausgebildet, wobei die faserverstärkte Einlegestruktur 2 vor der Nebenkavität 3 positioniert wird. Mittels der Nebenkavität 3 wird das Nebenformelement hergestellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die faserverstärkte Einlegestruktur 2 mehrlagig, im vorliegenden Fall vierfach ausgeführt. Die faserverstärkte Einlegestruktur 2 weist Sollbruchstellen 4 auf, welche in Form von Kerben in den Fasern ausgebildet. Die Sollbruchstellen 4 sind entweder nur im Bereich der Nebenkavität 3 oder in der gesamten faserverstärkten Einlegestruktur 2 ausgebildet, wobei sie bevorzugt eine Perforation bilden.
Gemäß 2 wird dem Werkzeug eine Kunststoffschmelze 5 zugeführt, die zunächst entlang der faserverstärkten Einlegestruktur 2 fließt.
Das weitere Einfließen der Kunststoffschmelze 5 wird in 3 dargestellt, wobei die Kunststoffschmelze 5 auf Höhe der Nebenkavität 3 die faserverstärkte Einlegestruktur 2 durchbricht und nach außen in die Nebenkavität 3 eindringt. Durch die Druckbeaufschlagung mit der Kunststoffschmelze 5 im Bereich der Sollbruchstellen 4, werden diese im Bereich der Nebenkavität 3 aufgebrochen, so dass die Kunststoffschmelze 5 unter Mitnahme der Fasern 6 in die Nebenkavität 3 fließt und die Fasern 6 in Fließrichtung aufstellt.
Die Mitnahme der Fasern 6 in die Nebenkavität 3 ist in den 3, 4 und 5 schematisch dargestellt. Nach dem Einspritzen der Kunststoffschmelze 5 wird ein gas- oder fluidähnliches Medium 7 parallel in das erste Werkzeug 1 eingebracht. Mittels des Mediums 7 wird überschüssige Schmelze 5 verdrängt und das Nebenformelement ausgeformt. Die Fasern 5 sind in dem Nebenformelement ausgeformt und verstärken die Stabilität des Nebenformelements. Darüber hinaus sollen auch definiert eingebrachte Fadenreserven zum Ausrichten der Fasern 6 genutzt werden. Die Kunststoffschmelze 5 tritt vorzugsweise an engen Radien und den definierten Kerben aus und füllt so die WerkzeugNebenkavität 3. Die aufgebrochenen Fasern 6 sind dann Bestandteil der Rippenverstärkung.
Gemäß 5 ist die Nebenkavität 3 vollständig ausgefüllt. Die Fasern 6 wurden aus der faserverstärkten Einlegestruktur 2 aufgebrochen und in Richtung der Nebenkavität 3 ausgerichtet.
Das Medium 7 führt die überschüssige Schmelze aus dem ersten Werkzeug 1, so dass ein Hohlkörper entsteht. Der vollständig ausgeformte Hohlkörper mit dem Nebenformelement ist in den 6 und 7 dargestellt. Gemäß 7 wurde das Bauteil aus dem Werkzeug 1 entnommen, die faserverstärkte Einlegestruktur 2 ist mit der Kunststoffschmelze 5 verbunden und verbleibt am Bauteil.
Die Erfindung betrifft eine Kombination aus Innenhochdruck-Umformung und Spritzgießverfahren, in Anlehnung an Gasinjektionstechnik oder Wasserinjektionstechnik, mit einer gezielten Faseraufstellung und Umorientierung. Besonders vorteilhaft ist, dass kein Gegendrucksystem notwendig ist.
Durch die Kombination von Ur- und Umformtechnologie (Innendruck, Außendruck) erfolgt die Einsparung eines Prozessschritts, wodurch die Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
Es erfolgt ein kontinuierlicher Eigenschaftsübergang zwischen den Subkomponenten.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Faserverstärkte Einlegestruktur
3: Nebenkavität
4: Kerben
5: Kunststoffschmelze
6: Fasern
7: Medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012004168 A1 [0002]
DE 19747021 B4 [0003]
DE 102015109597 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung von belastungsgerechten Strukturen, mit einer Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Innenhochdruck-Umformung, wobei mittels Spritzgießen eine Kunststoffschmelze (5) in ein Spritzgießwerkzeug (1) mit einer Nebenkavität (3) zur Herstellung eines Bauteils eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Werkzeugs (1) eine, sich an der Wandung des Werkzeuges (1) zumindest bereichsweise abstützende, faserverstärkte Einlegestruktur (2) angeordnet ist, wobei die faserverstärkte Einlegestruktur (2) Sollbruchstellen (4) im Bereich der Nebenkavität (3) aufweist, die vor der Nebenkavität (3) positioniert ist und dass die Kunststoffschmelze (5) entlang der faserverstärkten Einlegestruktur (2) fließt und im Bereich der Sollbruchstellen (4) der Fasern (6) diese durch einen einwirkenden Druck auf die Fasern (6) aufbricht und unter Mitnahme von Fasern (6) aus der faserverstärkten Einlegestruktur (2) in die Nebenkavität (3) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) in Fließrichtung aufgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in Form eines Hohlkörpers ausgebildet ist, wobei mittels eines Mediums (7) die überschüssige Kunststoffschmelze (5) ausgetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Mediums (7) eine bestimmte Menge der Kunststoffschmelze (5) in die Nebenkavität (3) fließt so, dass diese vollständig ausgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschmelze (5) eine thermoplastische oder duroplastische Schmelze darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Einlegestruktur (2) in Form eines textilen Halbzeuges als Verstärkungselement ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug eine Kurz-, Lang- oder Endlosfaserverstärkung ist und geflochten, gewickelt, gewoben oder gestrickt vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Einlegestruktur (2) ein- oder mehrlagig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (4) in Form von Perforationen ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (4) in Form von Kerben in den Fasern (6) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einlegestruktur (2), in dem die Fasern (6) von der Kunststoffschmelze (5) in eine Nebenkavität (3) des Spritzgießwerkzeugs (1) mitgenommen werden, eine Fadenreserve angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschmelze (5) an engen Radien austritt.