DE102020127475B3

DE102020127475B3 - Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils und damit hergestelltes Spritzgussteil

Info

Publication number: DE102020127475B3
Application number: DE102020127475.0A
Authority: DE
Inventors: Arya Bhattacharya; Ralf Ludwig
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-10-21
Anticipated expiration: 2040-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils mit folgenden Schritte:- Anordnen wenigstens eines Verstärkungsfasern (F) enthaltenden Pads (200) im Formhohlraum (110) einer geöffneten Spritzgießform (100);- Schließen der Spritzgießform (100) und Einspritzen einer erwärmten thermoplastischen Kunststoffmasse (K) in den Formhohlraum (110), wobei die thermoplastische Kunststoffmasse (K) die im Pad (200) enthaltenen Verstärkungsfasern (F) freisetzt, welche sich daraufhin lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse (K) verteilen;- Öffnen der Spritzgießform (100) und Entnehmen des Spritzgussteils.Die Erfindung betrifft ferner ein lokal verstärktes thermoplastisches Spritzgussteil, welches verfahrensgemäß hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils sowie ein verfahrensgemäß hergestelltes Spritzgussteil, welches lokal verstärkt ist.
Beim Spritzgießen wird bekanntermaßen eine erwärmte Kunststoffmasse unter Druck in einen formgebenden Formhohlraum (Kavität) eines Spritzgießwerkzeugs bzw. einer Spritzgießform eingespritzt. Nach dem Abkühlen bzw. Aushärten kann das Spritzgussteil aus dem Formhohlraum entnommen bzw. entformt werden. Ein Spritzgussteil, welches in wenigstens einem Bauteilbereich einer höheren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, kann bereits beim Spritzgießen im betreffenden Bereich lokal verstärkt werden.
Die DE 10 2006 040 748 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils mit verstärkten und unverstärkten Bereichen durch thermoplastischen Spritzguss, umfassend die Schritte:

- Herstellen eines Textileinlegers aus thermoplastischen Fasern und aus Verstärkungsfasern;
- Vorerwärmen des Textileinlegers und Einbringen des Textileinlegers in eine Spritzgießform;
- Umspritzen des Textileinlegers mit einem Thermoplasten, wobei die thermoplastischen Fasern aufgeschmolzen werden;
- Abkühlung und Entnahme des Kraftfahrzeugbauteils.

Die DE 10 2017 117 233 A1 offenbart ein Federbeinlager, umfassend einen Führungsring bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, in das wenigstens ein Verstärkungselement eingebracht ist. Das Verstärkungselement besteht aus einer Thermoplastmatrix mit darin eingebrachten Endlosfasern.
Die DE 10 2012 201 875 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffartikels durch Spritzgießen, unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs mit einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte, die zwischen sich eine Kavität bilden und zum Öffnen und Schließen des Spritzgießwerkzeugs auseinandergefahren und zusammengefahren werden können, wobei eine Kunststoffschmelze in die Kavität des geschlossenen Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird, dort erstarrt und der hierdurch entstandene Kunststoffartikel durch Öffnen des Spritzgießwerkzeugs entformt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein thermoplastisches Spritzgussteil gemäß Patentanspruch 9.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 steht nun ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils zur Verfügung. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäß hergestelltes thermoplastisches Spritzgussteil mit lokaler Verstärkung (Faserverstärkung), wobei es sich bei diesem Spritzgussteil insbesondere um ein Interieurbauteil für ein Kraftfahrzeug handelt. Zusätzliche Merkmale der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (wobei dies ausdrücklich auch Merkmale einschließt, die als „beispielsweise“, „bevorzugt“, „insbesondere“ etc. beschrieben sind) und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten (d. h. faserverstärkten) thermoplastischen Spritzgussteils umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- gegebenenfalls Bereitstellen einer Spritzgießform bzw. eines Spritzgießwerkzeugs mit (wenigstens) einem Formhohlraum (Kavität);
- Anordnen wenigstens eines Verstärkungsfasern enthaltenden Pads im Formhohlraum der geöffneten Spritzgießform;
- Schließen der Spritzgießform und Einspritzen einer (wenigstens auf Schmelztemperatur) erwärmten thermoplastischen Kunststoffmasse bzw. Kunststoffschmelze in den Formhohlraum, wobei die (erwärmte) thermoplastische Kunststoffmasse die im Pad enthaltenen Verstärkungsfasern, zumindest einen Teil davon, freisetzt, die sich daraufhin lokal (d. h. nur in einem bestimmten Bereich) in der thermoplastischen Kunststoffmasse verteilen;
- Öffnen der Spritzgießform und Entnehmen bzw. Entformen des Spritzgussteils, nachdem die thermoplastische Kunststoffmasse bzw. -schmelze abgekühlt bzw. ausreichend verfestigt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat u. a. den Vorteil, dass sich die freigesetzten Verstärkungsfasern in der thermoplastischen Kunststoffmasse verteilen bzw. in den thermoplastischen Kunststoff eingemischt werden und dadurch im betreffenden Bauteilbereich eine quasi-intrinsische Verstärkung des thermoplastischen Kunststoffs erreicht wird. (Bei einem Textileinleger ist die Verstärkungswirkung auf den Textileinleger beschränkt.) Ferner besteht der Vorteil, dass sich im betreffenden Bauteilbereich (trotz der Verstärkungsfasern) gute bis sehr gute Oberflächeneigenschaften realisieren lassen. (Bei einem Textileinleger besteht, insbesondere bei einem dünnwandigen Bauteil, die Gefahr der Oberflächenabzeichnung durch sogenannte Einfallstellen.)
Unter einem Pad wird ein mattenartiges, insbesondere flexibel ausgebildetes, Einlegeelement verstanden, welches erfindungsgemäß freisetzbare Verstärkungsfasern enthält. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich insbesondere um Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können als Kurzfasern mit einer Faserlänge von bis zu 1 mm oder insbesondere als Langfasern mit einer Faserlänge von bis zu 50 mm ausgebildet sein.
Bevorzugt ist das Pad als Klebepad bzw. Haftpad ausgebildet und wird an der betreffenden Stelle bzw. im betreffenden Formbereich auf die Innenwandung des Formhohlraums (bzw. auf die Kavitätsoberfläche) aufgeklebt. Hierzu kann das Klebepad aus einem klebenden bzw. haftenden Material gebildet sein oder (rückseitig) eine Klebe- bzw. Haftschicht aufweisen, welche gegebenenfalls für den Transport mit einer abziehbaren Schutzfolie geschützt ist. Die Kleb- bzw. Hafteigenschaften sind insbesondere so ausgebildet, dass die Entnahme des Spritzgussteils aus der Spritzgießform nicht beeinträchtigt wird.
Das Pad kann eine Trägerschicht für die Verstärkungsfasern aufweisen, wobei die Verstärkungsfasern aufgrund der Druck- und/oder Wärmeeinwirkung der eingespritzten thermoplastischen Kunststoffmasse von der Trägerschicht abgelöst oder aus dieser herausgelöst werden, sodass sich diese dann lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse verteilen können. Die Verstärkungsfasern sind bevorzugt mittels eines wärmelöslichen Bindemittels auf die Trägerschicht aufgebracht. Die Trägerschicht kann bspw. auf einer Seite mit einer Klebe- bzw. Haftschicht (s. o.) und auf der anderen Seite mit den ablösbaren Verstärkungsfasern ausgebildet sein. Die Trägerschicht kann derart beschaffen sein, dass diese von der eingespritzten Kunststoffmasse im Wesentlichen vollständig aufgelöst bzw. aufgeschmolzen wird. Hierzu kann die Trägerschicht aus einem kompatiblen thermoplastischen Kunststoff mit niedrigerer Schmelztemperatur gebildet sein. Alternativ kann die Trägerschicht derart beschaffen sein, dass diese nur teilweise oder gar nicht aufgelöst wird und nach dem Entformen vom Spritzgussteil abgelöst wird oder als zusätzliches Verstärkungselement dauerhaft im Spritzgussteil verbleibt, insbesondere auf einer nicht sichtbaren Rückseite (B-Seite) des Spritzgussteils.
Das Pad kann wenigstens eine beutelartige Hülle aufweisen, in der die Verstärkungsfasern, insbesondere lose, angeordnet bzw. enthalten sind, wobei die Hülle so beschaffen ist, dass sie sich aufgrund von Druck- und/oder Wärmeeinwirkung der eingespritzten thermoplastischen Kunststoffmasse öffnet, insbesondere aufplatzt bzw. aufreißt und/oder zumindest teilweise auflöst, sodass die enthaltenen Verstärkungsfasern freigesetzt bzw. freigegeben werden und sich dann lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse verteilen können. Bevorzugt ist die Hülle als dünne Folie ausgebildet. Die Hülle kann aus einem kompatiblen thermoplastischen Kunststoff mit niedrigerer Schmelztemperatur gebildet sein. Die Hülle kann derart beschaffen sein, dass diese von der eingespritzten Kunststoffmasse im Wesentlichen vollständig aufgelöst bzw. aufgeschmolzen wird. Alternativ kann die Hülle derart beschaffen sein, dass diese nur teilweise oder gar nicht aufgelöst wird und nach dem Entformen vom Spritzgussteil abgelöst wird oder als zusätzliches Verstärkungselement dauerhaft im Spritzgussteil verbleibt, insbesondere auf einer nicht sichtbaren Rückseite (B-Seite) des Spritzgussteils.
Die vorausgehend erläuterten bevorzugten Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen das Pad mit einer Trägerschicht oder einer Hülle ausgebildet ist, können auch miteinander kombiniert werden, insbesondere derart, dass eine Trägerschicht mit einer darauf aufgebrachten beutelartigen Hülle für die Verstärkungsfasern vorgesehen ist.

1 veranschaulicht schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
2 veranschaulicht schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.

Die in 1a ausschnittsweise gezeigte Spritzgießform 100 weist einen Formhohlraum 110 auf, an dessen (obere) Innenwandung ein Verstärkungsfasern F enthaltenden Pad 200 aufgeklebt ist. Das Pad 200 weist eine Trägerschicht 210 mit den darauf aufgebrachten Verstärkungsfasern F auf. Beim Einspritzen einer erwärmten thermoplastischen (faserfreien) Kunststoffmasse K in den Formhohlraum 110 werden die Verstärkungsfasern F durch die Druckeinwirkung bzw. Krafteinwirkung und/oder Wärmeeinwirkung der thermoplastischen Kunststoffmasse K von der Trägerschicht 210 abgelöst und verteilen sich im Weiteren lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse K, wie in 1b gezeigt.
Das Pad 200 wird dort auf die Innenwandung des Formhohlraums 110 aufgeklebt, wo eine lokale Verstärkung des herzustellenden Spritzgussteils erforderlich ist, wobei gegebenenfalls eine Strömungsrichtung der Kunststoffmasse K (wie in 1b mit dem Pfeil veranschaulicht) berücksichtigt wird. Wie aus 1b hervorgeht, löst sich die Trägerschicht 210 beim Spritzgießen teilweise auf. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Trägerschicht 210 vollständig oder gar nicht auflöst, wie oben beschrieben.
2a zeigt analog zur 1a eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung, bei welcher das auf die Innenwandung des Formhohlraums 110 aufgeklebte Pad 200 eine beutelartige Hülle 220, in der die Verstärkungsfasern F enthalten sind, aufweist. Die Hülle 220 ist so beschaffen, dass sie sich beim Einspritzen der erwärmten thermoplastischen Kunststoffmasse K in den Formhohlraum 110 aufgrund der Druck- und/oder Wärmeeinwirkung öffnet, sodass die enthaltenen Verstärkungsfasern F freigesetzt bzw. freigegeben werden und sich im Weiteren lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse K verteilen, wie in 2b gezeigt. Wie aus 2b hervorgeht, wird die Hülle 220 beim Spritzgießen teilweise aufgelöst. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Hülle 220 vollständig oder gar nicht auflöst, wie oben beschrieben.
Wie aus den 1b und 2b hervorgeht, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere auch bei einem dünnwandigen Bauteil (bspw. mit einer Wanddicke < 10 mm), die Ausbildung eines sich in Bauteildickenrichtung verändernden Faseranteils, insbesondere derart, dass sich die Verstärkungsfasern F im Wesentlichen nur auf der Rückseite (B-Seite) befinden, wohingegen die sichtbare Vorderseite (A-Seite) faserfrei bleibt bzw. faserfrei ist. Mit anderen Worten: Das hergestellte thermoplastische Spritzgussteil weist in Dickenrichtung einen ersten Bereich ohne Verstärkungsfasern und einen zweiten Bereich mit (lokal verteilten) Verstärkungsfasern F auf.
Bezugszeichenliste

100: Spritzgießform
110: Formhohlraum
200: Pad
210: Trägerschicht
220: Hülle

Claims

Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten thermoplastischen Spritzgussteils, umfassend folgende Schritte: - Anordnen wenigstens eines Verstärkungsfasern (F) enthaltenden Pads (200) im Formhohlraum (110) einer geöffneten Spritzgießform (100); - Schließen der Spritzgießform (100) und Einspritzen einer erwärmten thermoplastischen Kunststoffmasse (K) in den Formhohlraum (110), wobei die thermoplastische Kunststoffmasse (K) die im Pad (200) enthaltenen Verstärkungsfasern (F) freisetzt, welche sich daraufhin lokal in der thermoplastischen Kunststoffmasse (K) verteilen; - Öffnen der Spritzgießform (100) und Entnehmen des Spritzgussteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pad (200) als Klebepad ausgebildet ist und auf die Innenwandung des Formhohlraums (110) aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pad (200) eine Trägerschicht (210) für die Verstärkungsfasern (F) aufweist, wobei die Verstärkungsfasern (F) durch Druck- und/oder Wärmeeinwirkung der thermoplastischen Kunststoffmasse (K) von der Trägerschicht (210) abgelöst oder aus dieser herausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (210) von der erwärmten Kunststoffmasse (K) vollständig aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (210) als zusätzliches Verstärkungselement im Spritzgussteil verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pad (200) wenigstens eine beutelartige Hülle (220) für die Verstärkungsfasern (F) aufweist, wobei sich die Hülle (220) durch Druck- und/oder Wärmeeinwirkung der thermoplastischen Kunststoffmasse (K) öffnet und die Verstärkungsfasern (F) freisetzt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (220) von der erwärmten Kunststoffmasse (K) vollständig aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (220) als zusätzliches Verstärkungselement im Spritzgussteil verbleibt.
Thermoplastisches Spritzgussteil mit lokaler Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, dass dieses nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Thermoplastisches Spritzgussteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Interieurbauteil für ein Kraftfahrzeug ist.