DE102020200071A1

DE102020200071A1 - Spritzgussverfahren zur Herstellung eines strukturoptimierten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102020200071A1
Application number: DE102020200071.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Gaßmann; Tim Kühn; Ulf Hillemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spritzgussverfahren zur Herstellung eines strukturoptimierten Kunststoffbauteils (16; 18), in dema) in einem ersten Spritzgussschritt ein Strukturteil (5; 19) aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial in einer geschlossenen, einen Werkzeugkern (2) und eine Matrize (3) aufweisenden Spritzgussform (1) gespritzt wird, undb) in einem zweiten Spritzgussschritt das Strukturteil (5; 19) mit einer Deckschicht (15) versehen wird, indem die Spritzgussform (1) um einen bestimmten Öffnungshub (6) geöffnet wird und in die dadurch entstandene Kavität als Spalt (13) zwischen dem Werkzeug-Kern (2) mit dem bereits gespritzten Strukturteil (5; 19) und der Matrize (3) Kunststoffmaterial ohne verstärkenden Faseranteil gespritzt wird und damit das Strukturteil (5; 19) umströmt und beschichtet wird, wobei durch die Öffnungshubweite die Spaltweite und damit die Beschichtungsdicke bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgussverfahren zur Herstellung eines strukturoptimierten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2005 039 124 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines zweischichtigen Verbundbauteils mit einer genarbten Oberfläche bekannt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Träger aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff mittels eines Spritzgießverfahrens in einer ersten Kavität hergestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Träger mit einem thermoplastischen Kunststoff ohne Faseranteils mittels eines Spritzgießverfahrens zur Bildung einer Deckschicht in einer zweiten Kavität überspritzt, wobei die zweite Kavität an ihrer Oberfläche zumindest bereichsweise eine Narbung aufweist, durch die die Narbung in der Oberfläche der Deckschicht erzeugt wird. Damit soll die Herstellung von leichten Verbundbauteilen mit guten mechanischen Eigenschaften und ansprechenden optischen Oberflächen möglich sein. Zur Durchführung des Verfahrens können zwei Spritzgusswerkzeuge verwendet werden, wobei der Träger per Hand oder per Roboter von der ersten Kavität in die zweite Kavität umgesetzt wird. Das Verfahren kann auch mit einem Wendetellerwerkzeug oder einem Drehtellerwerkzeug durchgeführt werden, in dem eine erste und zweite Kavität in einem Werkzeug integriert sind.
Die Verwendung von zwei Spritzgusswerkzeugen und die Umsetzung des Trägers von der ersten Kavität in die zweite Kavität in den beiden Spritzgusswerkzeugen ist ebenso wie die Verwendung eines Wendetellerwerkzeugs oder eines Drehtellerwerkzeugs mit zwei Kavitäten aufwendig bezüglich der Herstellung der Werkzeuge und für den Betrieb der Werkzeuge.
Es ist allgemein bekannt, bei Kunststoffbauteilen mit hohen mechanischen Werten, beispielsweise für Voll-Kunststoffheckklappen von Personenkraftwagen, faserverstärktes Kunststoffmaterial mit Verstärkungsfasern als Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern (CFK) zu verwenden, wobei diese Teile gegebenenfalls mit Einlegeteilen aus Stahl, Aluminium, etc. ausgesteift und in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Verwendung solcher faserverstärkter Kunststoffmaterialien kann in bekannter Weise zu optischen Mängeln in der Oberfläche führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Spritzgussverfahren zur Herstellung eines strukturoptimierten Kunststoffbauteils vorzuschlagen, mit dem einfach und mit vergleichsweise geringem Aufwand eine ansprechende Oberfläche mit guten optischen Eigenschaften erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Spritzgussschritt ein Strukturteil aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial in einer geschlossenen, einen Werkzeugkern und eine Matrize aufweisenden Spritzgussform gespritzt. Das Strukturteil ist im Hinblick auf eine Leichtbauweise sowie auf eine gesteigerte Bauteilsteifigkeit bevorzugt mit einer Fachwerkstruktur realisiert.
In einem zweiten Spritzgussschritt wird das Strukturteil mit einer Deckschicht versehen dergestalt, dass die Spritzgussform um einen bestimmten Öffnungshub geöffnet wird und in die dadurch entstandene Kavität als Spalt zwischen dem Werkzeugkern mit dem bereits gespritzten Strukturteil und der Matrize Kunststoffmaterial ohne verstärkenden Faseranteil gespritzt wird. Dadurch wird das Strukturteil umströmt und beschichtet, wobei die Öffnungshubweite die Spaltweite und damit die Beschichtungsdicke bestimmt. Anschließend kann die Spritzgussform ganz geöffnet und das fertige Kunststoffbauteil entnommen werden.
Damit wird in einem vergleichsweise einfachen Spritzgussverfahren mit nur einem Werkzeug unter Verwendung derselben, die Form des Kunststoffbauteils bestimmenden Kavitäten ein strukturoptimiertes Kunststoffbauteil mit optisch ansprechender Oberfläche herstellbar. Insbesondere kann eine Oberflächenausbildung in Class-A-Qualität hergestellt werden und zudem das Bauteilgewicht optimiert werden.
Die Öffnungshubweite und damit die Beschichtungsdicke werden vorteilhaft zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise von 2,5 mm gewählt, wodurch Oberflächenmängel des Strukturteils ausgeglichen und eine optisch ansprechende Oberfläche des fertigen Bauteils erzielt wird.
Vorteilhaft weist das faserverstärkte Kunststoffmaterial für den ersten Spritzgussschritt die gleiche Matrix wie das Kunststoffmaterial ohne Faseranteil für den zweiten Spritzgussschritt auf, wobei insbesondere Polypropylen (PP) und/oder Polyamid (PA) vorteilhaft verwendbar ist.
Als Verstärkungsfasern können in an sich bekannter Weise Glasfasern, Kohlestofffasern, Aramidfasern und/oder Naturfasern (zum Beispiel Hanf, Sisal, etc.) verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird im ersten Spritzgussschritt das Strukturteil mit steifen Einlegerteilen, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium ausgesteift, wodurch besonders verstärkungsoptimierte Strukturteile herstellbar sind.
Die Spritzgussform ist in der Art eines an sich bekannten Tauchkantenwerkzeugs auszubilden, so dass die geometrische Form des Kunststoffbauteils auch nach dem Öffnungshub im zweiten Spritzgussschritt begrenzt ist.
Dazu greift insbesondere zur Ausbildung von Öffnungen im fertigen Kunststoffbauteil bei geschlossener Spritzgussform wenigstens ein Stempelteil am Werkzeug-Kern gern in eine zugeordnete Kavität in der Matrize so weit ein, dass der Eingriff auch nach dem Öffnungshub besteht, so dass eine entsprechende Öffnung auch in der Beschichtung und damit im fertigen Kunststoffbauteil ausgebildet wird. Soll dagegen eine Öffnung im ersten Spritzgussschritt nur im Strukturteil ausgebildet werden und im zweiten Spritzgussschritt von der Beschichtung überdeckt und geschlossen werden, soll der zugeordnete Werkzeug-Kernbereich bei geschlossener Spritzgussform auf der Matrize aufliegen und nach dem Öffnungshub eine entsprechende Spaltweite für die Beschichtungsdicke freigeben.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung mit Beispielen weiter erläutert.
Es zeigen:

1 eine stark schematisierte Spritzgussform in drei Betriebszuständen,
2 eine perspektivische Schnittansicht der Spritzgussform nach 1 im geschlossenen Zustand,
3 die Spritzgussform nach 2 im geöffneten Zustand,
4 ein Kunststoffbauteil als PKW-Kunststoffheckklappe sowohl als Strukturteil in einem ersten Spritzgussschritt und als Fertigteil nach einem zweiten Spritzgussschritt in einer Nicht-Sichtseite (Unterseiten), und
5 das Kunststoffbauteil nach 4 von der Sicht-Seite (Oberseite).

Anhand der schematischen Darstellung einer Spritzgussform 1 in drei Spritzgussschritten a, b, c sowie anhand der entsprechenden perspektivischen Ansichten nach 2 und 3 wird das erfindungsgemäßen Spritzgussverfahren näher erläutert:

In 1 ist die Spritzgussform 1 aus einem oberen Werkzeugkern 2 und einer unteren Matrize 3 geschlossen. In Kavitäten 4 im Werkzeugkern 2 wird in einem ersten Spritzgussschritt ein Strukturteil 5 durch Einspritzen von faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt.
In einem Formbereich 7 liegen ersichtlich der entsprechende Werkzeugkernbereich und der Matrizenbereich bei geschlossener Spritzgussform 1 flach aneinander, so dass dadurch, wie aus 1a ersichtlich, im Strukturteil 5 eine Strukturteilöffnung 8 ausgebildet wird. In einem Formbereich 9 greift dagegen ein (zylindrisches) Stempelteil 10, das am Werkzeugkern 2 nach unten abragt, in eine entsprechende Negativkavität 11 der Matrize 3 ein, wodurch auch hier im Strukturteil 5 eine Strukturteilöffnung 12 ausgebildet wird.

In einem zweiten Spritzgussschritt entsprechend 1b wird die Spritzgussform 1 um einem Öffnungshub 6 geöffnet und damit der Werkzeugkern 2 und die Matrize 3 beispielsweise um 2,5 mm auseinander bewegt. Nach dem Öffnungshub 6 entsprechend 1b wird sowohl im Formbereich 7 als auch im Formbereich 9 ein Spalt 13 und ein Spalt 14 mit einer Spaltweite entsprechend der Öffnungshubweite ausgebildet. Zur Herstellung einer Deckschicht als Beschichtung wird im zweiten Spritzgussschritt in den Spalt 13 Kunststoffmaterial ohne verstärkenden Faseranteil gespritzt und damit das Strukturteil 5 umströmt und mit der Deckschicht 15 mit einer Beschichtungsdicke entsprechend der Spaltweite beschichtet.
Dadurch wird die Strukturteilöffnung 8 im Formbereich 7 ersichtlich mit der Deckschicht 15 gefüllt und geschlossen (1b). Im Formbereich 9 taucht dagegen das Stempelteil 10 auch nach dem Öffnungshub 6 ersichtlich noch in der Art eines Tauchkantenwerkzeugs in die Negativkavität 11 ein, so dass keine Strömungsverbindung zwischen den Spalt 13 im Formbereich 7 und dem Spalt 14 im Formbereich 9 besteht. Dadurch wird beim Beschichtungsvorgang die Strukturteilöffnung 12 nicht mit der Deckschicht 15 gefüllt, so dass im fertigen Kunststoffbauteil 16 die Strukturteilöffnung 12 als durchgehende Bauteilöffnung 17 offen bleibt, wie dies insbesondere aus 1c nach der vollständigen Öffnung der Spritzgussform zur Entnahme des fertigen Kunststoffbauteils 16 ersichtlich ist.
2 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht die Spritzgussform 1 im zweiten Spritzgussschritt entsprechend 1b, bei dem das Strukturteil 5 bereits mit einer Deckschicht 15 beschichtet ist. Der Werkzeugkern 2 ist hier ebenso wie in 3 zur besseren Verdeutlichung seiner Kavitäten 4 und des hergestellten Strukturteils 5 in transparenter Darstellung angedeutet ist.
In 3 ist die geöffnete Spritzgussform 1 zur Entnahme des fertigen Kunststoffbauteils 16 als perspektivische Schnittdarstellung entsprechend 1c gezeigt. Insbesondere ist hier am fertigen Kunststoffbauteil 16 die Überdeckung der Strukturteilöffnung 8 mit der Deckschicht 15 deutlich erkennbar.
In den 4 und 5 ist anstelle des schematischen Strukturteils 5 und des fertigen Kunststoffbauteils 16 der 1 bis 3 ein reales Voll-Kunststoffbauteil aus der Praxis als PKW-Kunststoffheckklappe 18 gezeigt.
In 4a ist das Heckklappenstrukturteil 19 dargestellt, wie es im ersten Spritzgussschritt noch vor dem Öffnungshub der Spritzgussform und noch vor der Beschichtung entsteht. In 4b ist bereits die fertige PKW-Kunststoffheckklappe 18 mit dem Heckklappen-Strukturteil 19 und einer bereits im zweiten Spritzgussschritt aufgebrachten Deckschicht 15 (schraffiert dargestellt) gezeigt, von der in der gezeigten Nicht-Sichtansicht nur die Stellen sichtbar sind, an denen Strukturteilöffnungen (siehe 4a) von der Deckschicht 15 überdeckt sind.
5 entspricht 4, wobei jedoch in 5 jeweils die gegenüberliegenden Ansichten gezeigt sind. In 5a ist somit wiederum das noch unbeschichtete Heckklappen-Strukturteil 19 gezeigt und in 5b die mit der Deckschicht 15 beschichtete (schraffiert dargestellte) Sichtseite der fertig hergestellten PKW-Kunststoffheckklappe 18.
Bezugszeichenliste

1: Spritzgussform
2: Werkzeugkern
3: Matrize
4: Strukturteil
5: Kavitäten
6: Öffnungshub
7: Formbereich
8: Strukturteilöffnung
9: Formbereich
10: Stempelteil
11: Negativkavität
12: Strukturteilöffnung
13: Spalt
14: Spalt
15: Deckschicht
16: Kunststoffbauteil
17: Bauteilöffnung
18: PKW-Kunststoffheckklappe
19: Heckklappen-Strukturteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005039124 A1 [0002]

Claims

Spritzgussverfahren zur Herstellung eines strukturoptimierten Kunststoffbauteils (16; 18), in dem a) in einem ersten Spritzgussschritt ein Strukturteil (5; 19) aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial in einer geschlossenen, einen Werkzeugkern (2) und eine Matrize (3) aufweisenden Spritzgussform (1) gespritzt wird, und b) in einem zweiten Spritzgussschritt das Strukturteil (5; 19) mit einer Deckschicht (15) versehen wird, indem die Spritzgussform (1) um einen bestimmten Öffnungshub (6) geöffnet wird und in die dadurch entstandene Kavität als Spalt (13) zwischen dem Werkzeug-Kern (2) mit dem bereits gespritzten Strukturteil (5; 19) und der Matrize (3) Kunststoffmaterial ohne verstärkenden Faseranteil gespritzt wird und damit das Strukturteil (5; 19) umströmt und beschichtet wird, wobei durch die Öffnungshubweite die Spaltweite und damit die Beschichtungsdicke bestimmt wird.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungshubweite und damit die Beschichtungsdicke zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise 2,5 mm betragen.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffmaterial für den ersten Spritzgussschritt die gleiche Matrix wie das Kunststoffmaterial ohne Faseranteil für den zweiten Spritzgussschritt aufweist.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff mit der jeweils gleichen Matrix Polypropylen (PP) verwendet wird.
Spritzgussverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern verwendet werden.
Spritzgussverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Spritzgussschritt das Strukturteil (5; 19) mit steifen Einlegerteilen, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, ausgesteift wird.
Spritzgussverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussform (1) als Tauchkantenwerkzeug ausgebildet ist.
Spritzgussverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von Öffnungen (17) im fertigen Kunststoffbauteil (16) bei geschlossener Spritzgussform (1) wenigstens ein Stempelteil (10) am Werkzeugkern (2) in eine zugeordnete Kavität (11) in der Matrize (3) soweit eingreift, dass der Eingriff auch nach dem Öffnungshub (6) besteht, so dass die Öffnung (17) auch in der Deckschicht (15) und damit im fertigen Kunststoffteil (16) ausgebildet wird, und/oder dass zur Ausbildung von Öffnungen (8) im Strukturteil (5) die im zweiten Spritzgussschritt von der Deckschicht (15) überdeckt und geschlossen werden, der zugeordnete Werkzeug-Kernbereich dort bei geschlossener Spritzgussform (1) auf der Matrize (3) aufliegt und nach dem Öffnungshub (6) eine entsprechende Spaltweite (13) für die Deckschicht (15) freigibt.