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Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Spritzgussbauteil, aufweisend zumindest eine metallische Deckschicht und eine an die metallische Deckschicht angespritzte Volumenschicht, enthaltend einen thermoplastischen Kunststoff. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen mehrschichtigen Spritzgussbauteils mittels eines entsprechend ausgebildeten Spritzgusswerkzeugs.
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Es sind verschiedene Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffbauteilen in Kombination mit metallischen Blechen bekannt, durch die schichtartig aufgebaute Spritzgussbauteile hergestellt werden können. Es ist dabei üblich, die Bleche in einem separaten Verfahrensschritt vorzubereiten, indem sie beispielsweise gestanzt und/oder umgeformt werden, bevor sie in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Diese Bleche können dann als strukturelle Verstärkung und/oder Versteifung für das hergestellte Kunststoffbauteil dienen. Eine weitere Art der Vorbehandlung eines solchen Bleches kann beispielsweise darin bestehen, das Blech mit einem Plasma zu behandeln, um für eine verbesserte Haftung des Kunststoffs an dem Blech zu sorgen.
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Die Herstellung eines Spritzgussbauteils mit einer derartigen Schichtstruktur oder einem derartigen Schichtaufbau ist beispielsweise aus der
US 2021/010 13 22 A1 bekannt. Hier wird während des Spritzgussprozesses ein überkritisches Gas, beispielsweise CO2 oder Stickstoff, mit in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeugs eingespritzt, wobei dieses überkritische Gas dazu führt, dass bei einer nachgelagerten Druckentlastung ein Aufschäumen in der Spritzgussmasse erfolgt. Durch dieses Aufschäumen wird innerhalb des Spritzgussbauteils eine geschlossene Porosität erzeugt, was verschiedene technische Effekte mit sich bringt. Hierzu gehört beispielsweise eine gute Isolationsfähigkeit beziehungsweise eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit.
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Eine besondere Behandlungsmethode im Bereich der Herstellung von Spritzgussbauteilen ist das Innendruckspritzgießen, auch bekannt als Fluidinjektionstechnik (FIT). Diese ist beispielsweise aus dem Bereich der Herstellung von Fahrradbauteilen, insbesondere Fahrradrahmen, bekannt und in der
DE 10 2015 008 561 A1 beschrieben. Bei der FIT wird ein noch weicher oder teilweise geschmolzener Kunststoffkern eines Spritzgussbauteils, der auch als plastische Seele bezeichnet wird, durch Injektion eines Fluids, beispielsweise Wasser und/oder Gas und/oder ein Gemisch der beiden, aus dem Bauteil herausgedrängt. Hierdurch entsteht ein Hohlkörper, wobei hier je nach Geometrie des Bauteils eine Herausforderung darin besteht, eine Dicke der nach der FIT stehenbleibenden Bauteilwand zu kontrollieren. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass je nach Bauteilgeometrie der Druck des injizierten Fluids mit zunehmender Entfernung vom Fluidinjektionspunkt abfällt. Mit zunehmendem Abstand zum Fluidinjektionspunkt kommt es daher zu einer Verstärkung der Bauteilwand des Hohlkörpers.
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Ein weiteres Beispiel für die Anwendung der FIT ist in der
DE 199 63 623 A1 beschrieben, wo mittels dieser Technologie ein Blutdruckmessgerät hergestellt wird.
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Wie beschrieben, ist das Innendruckspritzgießen beziehungsweise die Fluidinjektionstechnik ein spezialisiertes Spritzgussverfahren zur Herstellung hohler Werkstücke. Dieses Verfahren kann auch angewendet werden, um Kanäle mit einer vorbestimmten Geometrie in ein noch nicht vollständig ausgehärtetes Spritzgussbauteil einzuformen. So können beispielsweise Fluidkanäle oder Medienkanäle, beispielsweise Temperierkanäle, in Bauteile eingebracht werden. Aufgrund des oben beschriebenen Effekts des Druckabfalls innerhalb des injizierten Fluids mit dem Abstand zum Fluidinjektionspunkt ergibt sich allerdings in nachteiliger Weise ein nicht konstanter beziehungsweise abnehmender Querschnitt eines solchen Temperierkanals innerhalb des Bauteils. Dies verschlechtert in nachteiliger Weise die Wärmeübertragung entlang des Bauteils.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung eines vergleichsweise leichten, struktursteifen Bauteils mit einer gleichmäßigen Wärmeleitfähigkeit sowie ein solches Bauteil bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein mehrschichtiges Spritzgussbauteil bereitgestellt. Das Spritzgussbauteil weist zumindest eine metallische Deckschicht auf, welche beispielsweise als ein Aluminiumblech ausgebildet sein kann. Bevorzugt weist die metallische Deckschicht eine Dicke von 0,1 mm oder weniger auf. Es können auch metallische Deckschichten mit einer größeren Dicke, jedoch höchsten kleiner oder gleich 0,5 mm vorgesehen sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spritzgussbauteil ist an die metallische Deckschicht eine Volumenschicht angespritzt. Die Volumenschicht enthält einen thermoplastischen Kunststoff. Mit anderen Worten weist das Spritzgussbauteil einen Schichtaufbau mit zumindest der einen metallischen Deckschicht und der angespritzten Volumenschicht auf.
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Erfindungsgemäß weist die Volumenschicht einen röhrenförmigen Medienkanal auf, der dazu ausgebildet ist, ein Medium innerhalb der Volumenschicht durch das Spritzgussbauteil hindurchzuleiten. Vorzugsweise weist der Medienkanal einen konstanten Querschnitt auf. Mit anderen Worten ändert sich bevorzugt der Querschnitt des Medienkanals über seine gesamte Länge nicht oder nur unwesentlich. Der Medienkanal kann dazu ausgebildet sein, ein Fluid, beispielsweise ein Gas oder ein Gas-Wasser-Gemisch oder Wasser oder ein Temperiermittel, beispielsweise Butan, aufzunehmen und zu leiten. Der Medienkanal kann sich derart innerhalb der Volumenschicht durch das gesamte Spritzgussbauteil hindurch erstrecken, dass an einem Eintrittspunkt des Medienkanals das jeweilige Medium in den Medienkanal eingeleitet und an einem Austrittspunkt aus dem Spritzgussbauteil wieder ausgeleitet werden kann. Mit anderen Worten kann mittels des Medienkanals das Medium vollständig durch das Spritzgussbauteil hindurchgeleitet werden.
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Der erfindungsgemäße Aufbau bietet den Vorteil, dass die metallische Deckschicht aufgrund ihrer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Wärmeleitfähigkeit eine ungleichmäßige Wärmeleitfähigkeit des Kunststoff oder der Volumenschicht zumindest teilweise kompensieren kann. Mit anderen Worten kann bei der Ausbildung des röhrenförmigen Medienkanals darauf verzichtet werden, diesen aufwendig mit einem konstanten Querschnitt auszubilden, da die verringerte Wärmeleitfähigkeit in Bereichen eines geringeren Querschnitts des Medienkanals durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit der metallischen Deckschicht kompensiert werden kann. Daher kann für die Herstellung des Medienkanals die eingangs erwähnte Fluidinjektionstechnik angewendet werden, was die Produktion des Bauteils gegenüber bekannten Verfahren beschleunigt.
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Insgesamt können dadurch die Produktionskosten für das erfindungsgemäße Bauteil reduziert werden. Außerdem ist die Produktion sehr viel effizienter als bei den bekannten Methoden. Abgesehen von der verbesserten Wärmeleitfähigkeit erhöht die zumindest eine metallische Deckschicht außerdem in vorteilhafter Weise die strukturelle Steifigkeit gegenüber einem reinen Kunststoffbauteil. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit kann die zumindest eine metallische Deckschicht auch eine elektromagnetische Verträglichkeit für eine durch das hier beschriebene mehrschichtige Spritzgussbauteil abgedeckte Komponente bereitstellen.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das mehrschichtige Spritzgussbauteil zwei einander gegenüberliegend angeordnete metallische Deckschichten aufweist, die durch die Volumenschicht voneinander beabstandet sind. Mit anderen Worten weist das Spritzgussbauteil eine Sandwich-Bauweise auf, wobei ein oberer und ein unterer Deckel des Sandwiches oder des Schichtenstapels durch eine jeweilige der metallischen Deckschichten gebildet ist. Durch die beiden gegenüberliegend angeordneten metallischen Deckschichten lässt sich die strukturelle Steifigkeit des Bauteils weiter verbessern. Außerdem kann die beschriebene erhöhte Wärmeleitfähigkeit so auch an beiden Seiten der Volumenschicht bereitgestellt werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zumindest eine der metallischen Deckschichten oder auch beide metallische Deckschichten eine Versteifungsstruktur und/oder zumindest einen Durchbruch aufweist. Als Versteifungsstruktur kann beispielsweise eine Sicke und/oder eine Rippe beziehungsweise jeweils eine Mehrzahl an Sicken und/oder Rippen in einer jeweiligen metallischen Deckschicht vorgesehen sein. Durch die Versteifungsstrukturen kann eine gesamte strukturelle Steifigkeit des Spritzgussbauteils weiter erhöht werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der thermoplastische Kunststoff einen Faseranteil von Glas- und/oder Karbon- und/oder Aramid- und/oder Basalt- und/oder Naturfasern aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der thermoplastische Kunststoff einen elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Füllstoffanteil aufweisen.
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Bevorzugt ist das mehrschichte Spritzgussbauteil als Bestandteil eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere als eine Batteriewanne oder als ein Batteriedeckel ausgebildet. In dieser Funktion kann das mehrschichte Spritzgussbauteil mit dem integrierten Medienkanal als Kühl- oder Temperierplatte zum Temperieren der Traktionsbatterie eingesetzt werden. Gerade im Kraftfahrzeugbereich ist es besonders vorteilhaft, Bauteile zu verwenden, die eine vergleichsweise hohe strukturelle Eigensteifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Spritzgussbauteils, aufweisend zumindest eine metallische Deckschicht und eine an die metallische Deckschicht angespritzte Volumenschicht, enthaltend einen thermoplastischen Kunststoff.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zunächst ein Spritzgusswerkzeug bereitgestellt wird. In dieses Spritzgusswerkzeug wird sodann die zumindest eine metallische Deckschicht eingeführt, beziehungsweise eingelegt oder eingehängt. Mit anderen Worten wird also die zumindest eine metallische Deckschicht, beispielsweise in Form eines metallischen Blechs, in eine Kavität des Spritzgusswerkzeugs eingelegt. Dann kann das Spritzgusswerkzeug geschlossen und die Volumenschicht mittels Injektion des thermoplastischen Kunststoffs in die Kavität spritzgegossen werden. Während und/oder nach des Spritzgussprozesses findet ein zumindest teilweises Aushärten der Volumenschicht statt, wobei sich im Verlauf des Aushärtens die Volumenschicht mit der zumindest einen metallischen Deckschicht in dem Spritzgusswerkzeug verbindet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, dass während des Aushärtens mittels Fluidinjektion durch zumindest einen Fluidinjektionspunkt des Spritzgusswerkzeugs ein röhrenförmiger Medienkanal in einen noch nicht ausgehärteten Kernbereich der Volumenschicht eingeformt wird. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß also in einem einzigen Produktionsschritt innerhalb des Spritzgusswerkzeugs sowohl die beschriebene Sandwichstruktur hergestellt, als auch der Medienkanal in die Volumenschicht eingeformt. Das Einformen des Medienkanals kann mittels Fluidinjektion und/oder mittels eines Ausblasverfahrens erfolgen. Das Verdrängen der plastischen Seele aus der Volumenschicht heraus kann also nicht nur durch Fluidinjektion erfolgen, sondern auch durch Ausblasen.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Projektil zum Entfernen der plastischen Seele verwendet werden. Das Projektil kann bevorzugt aus zuvor ausgeblasenem oder herausgedrücktem Material bestehen. Mit anderen Worten kann das verdrängte Material als Projektil zum Einformen des Medienkanals für das nächste Bauteil wiederverwendet werden. Hierzu kann das im Verlauf der Fluidinjektion verdrängte Material aus der Volumenschicht in eine Nebenkavität des Spritzgusswerkzeugs verdrängt werden. Von dort kann das verdrängte Material entnommen und wieder als Projektil dem Spritzgusswerkzeug zugeführt werden. Alternativ kann das verdrängte Material mittels Masserückdrücken aufgefangen werden.
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Wie beschrieben, kann als Fluid ein Gas oder Gasgemisch und/oder Wasser und/oder ein Gas- und Wasser-Gemisch, insbesondere ein Aerosol, verwendet werden. Der Fluiddruck kann dabei abhängig von einer gewünschten Kanalgeometrie des Medienkanals eingestellt werden.
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Bei dem bereitgestellten Spritzgusswerkzeug kann es sich um ein Spritzgusswerkzeug mit einer Stanzfunktion und/oder einer Umformfunktion handeln. Der Stanzvorgang kann dabei über den Hub der Schließbewegung und/oder über pneumatische oder hydraulische Vorrichtungen im Spritzgusswerkzeug realisiert werden. In ähnlicher Weise kann auch der Umformvorgang der metallischen Deckschichten innerhalb des Spritzgusswerkzeugs über den Hub der Schließbewegung und/oder pneumatische oder hydraulische Vorrichtung im Spritzgusswerkzeug realisiert werden.
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Bei dem Spritzgusswerkzeug kann es sich um ein Schiebetischwerkzeug handeln, bei dem mindestens eine Kavität oder Nebenkavität für den Spritzguss und eine Kavität für den Stanz- und/oder den Umformprozess vorgesehen ist. Alternativ kann es sich bei dem Spritzgusswerkzeug um ein Wendeplattenwerkzeug handeln, das mindestens eine Kavität für den Spritzguss und eine Kavität für den Stanz- und/oder Umformprozess aufweist. Das Spritzgusswerkzeug kann auch ein Würfelwerkzeug sein, das mindestens eine Kavität für den Spritzguss und eine Kavität für den Stanz- und/oder Umformprozess aufweist, wobei an zumindest einer Seitenfläche des Würfelwerkzeugs eine Manipulation, wie beispielsweise das Einlegen oder die Entnahme von Blechen, zeitgleich mit dem Spritzgussprozess vorgenommen werden kann. In vorteilhafter Weise kann in einem derartigen Spritzgusswerkzeug auch zumindest ein Anschlussstück, beispielsweise eine Kupplung oder dergleichen, an dem Spritzgussbauteil mit dem Spritzgussverfahren mit gefertigt werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zwei metallische Deckschichten in die Kavität des Spritzgusswerkzeugs eingeführt werden, wobei die Volumenschicht durch Einspritzen des thermoplastischen Kunststoffs in einen Hohlraum zwischen den beiden metallischen Deckschichten erzeugt wird. Sofern es sich bei den Deckschichten um bereits vorgeformte Deckschichten handelt, kann durch die Vorformung eine Geometrie des Medienkanals beeinflusst werden. Mit anderen Worten kann also vorgesehen sein, dass zumindest eine der metallischen Deckschichten bereits beim Einlegen in die Kavität eine oder mehrere Sicken und/oder Rippen oder dergleichen aufweist. Durch diese strukturellen Merkmale kann die Geometrie des Medienkanals beim Fluidinjektionsverfahren beeinflusst werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Vorbehandlung des Blechs/der Bleche beziehungsweise einer oder beider metallischer Deckschicht(en) eine Behandlung mittels Plasma und/oder Koronaentladung und/oder Flämmen oder ähnlichem umfassen, um für eine verbesserte Haftung des thermoplastischen Kunststoffs an der Deckschicht/den Deckschichten zu sorgen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest eine metallische Deckschicht oder auch beide metallische Deckschichten vor dem Einführen in das Spritzgusswerkzeug zumindest teilweise vorgeformt werden. Wie beschrieben kann es sich dabei um ein Einformen von Sicken, Rippen und/oder Durchbrüchen handeln. Dies findet also zumindest teilweise vor dem Einführen der jeweiligen Deckschicht in das Spritzgusswerkzeug statt. Wie bereits erwähnt, erhöhen diese Strukturen eine Biege-, Torsions- und/oder Crash-Steifigkeit des Bauteils.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest eine metallische Deckschicht oder auch beide metallische Deckschichten zumindest teilweise innerhalb des Spritzgusswerkzeugs umgeformt werden. Mit anderen Worten können die genannten Sicken und/oder Rippen und/oder Durchbrüche zumindest teilweise erst innerhalb der Kavität des Spritzgusswerkzeugs in eine oder beide metallische Deckschichten eingeformt werden. Dies kann beispielsweise durch den Hub der Schließbewegung des Spritzgusswerkzeugs erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Umformung innerhalb der Kavität durch den Spritzgussdruck und/oder durch den Fluidinjektionsdruck im Spritzgusswerkzeug erfolgen. Mit anderen Worten können also die metallischen Deckschichten durch den Spritzgussdruck und/oder durch den Fluidinjektionsdruck ausgebeult und so an eine Matrix innerhalb der Kavität des Spritzgusswerkzeugs angedrückt oder angeformt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug, welches dazu ausgebildet ist, das beschriebene Verfahren zur Herstellung eines mehrschichten Spritzgussbauteils durchzuführen. Insbesondere können die metallischen Deckschichten als eine Art Endlosware mit Hilfe einer dazu ausgebildeten Zuführvorrichtung automatisiert dem Spritzgusswerkzeug zugeführt werden. Mit anderen Worten kann eine Abwicklung und Durchtaktung der metallischen Deckschichten durch die Werkzeugkavität mit Hilfe einer „Rolle-zu-Rolle“-Technik durchgeführt werden. Hierzu kann das Spritzgusswerkzeug bevorzugt eine vertikale und/oder eine horizontale Zuführung durch das geöffnete Spritzgusswerkzeug ermöglichen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Spritzgussbauteils beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung für das Spritzgusswerkzeug. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Als Mikroprozessor kann insbesondere jeweils eine CPU (Central Processing Unit), eine GPU (Graphical Processing Unit) oder eine NPU (Neural Processing Unit) verwendet werden. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Prozessoreinrichtung kann z.B. auf zumindest einer Schaltungsplatine und/oder auf zumindest einem SoC (System on Chip) basieren.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Spritzgussbauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines mehrschichtigen Spritzgussbauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrschichten Spritzgussbauteils 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der hier gezeigten Ausführungsform weist das Spritzgussbauteil 10 eine Sandwichstruktur auf. Hierbei bildet eine erste metallische Deckschicht 12 einen Deckel oder eine Oberseite der Sandwichstruktur, wobei eine gegenüberliegend angeordnete zweite metallische Deckschicht 14 einen Boden beziehungsweise eine Unterseite des mehrschichten Spritzgussbauteils 10 bildet.
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Die beiden metallischen Deckschichten 12, 14 sind im hier gezeigten Beispiel nicht gleich dick. Die erste metallische Deckschicht 12 weist beispielsweise ein Drittel der Dicke der unteren oder zweiten metallischen Deckschicht 14 auf. Die untere oder zweite metallische Deckschicht 14 kann beispielsweise eine Dicke von ≤ 0,1 mm aufweisen. Die Dicke d einer jeweiligen der metallischen Deckschichten 12, 14 kann dabei bedarfsgerecht ausgewählt werden. Bevorzugt haben die metallischen Deckschichten 12, 14 jedoch eine Dicke d von ≤ 0,5 mm. Hierdurch sind sie verhältnismäßig leicht zu verformen und können so beispielsweise während des Herstellungsprozesses des mehrschichten Spritzgussbauteils 10 durch einen Injektionsdruck der thermoplastischen Spritzgussmasse und/oder durch einen Fluidinjektionsdruck im Spritzgusswerkzeug verformt werden.
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1 zeigt die metallischen Deckschichten 12, 14 in einer planen oder ebenen Ausgestaltung. Die Deckschichten 12, 14 können jedoch auch Verformungen oder Umformungen oder Strukturelemente aufweisen, beispielsweise Sicken und/oder Rippen und/oder Durchbrüche. Diese können vor oder während des Spritzgussprozesses in einer oder in beiden der Deckschichten 12, 14 erzeugt werden.
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Zwischen den beiden metallischen Deckschichten 12, 14 befindet sich gemäß der gezeigten Sandwich-Bauweise eine Volumenschicht 16. Die Volumenschicht 16 enthält einen thermoplastischen Kunststoff, also einen Kunststoff, dessen Viskosität sich mit zunehmender Temperatur verringert. Mit anderen Worten lässt sich der thermoplastische Kunststoff der Volumenschicht 16 durch Erwärmen oder Erhitzen verflüssigen. Beim Abkühlen härtet der thermoplastische Kunststoff demnach aus. Eine Aushärtegeschwindigkeit hängt von mehreren Faktoren ab, so zum Beispiel von einer Umgebungstemperatur und/oder einer Ausgangstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs in der Schmelze und/oder von einer Dicke oder Mächtigkeit der Volumenschicht 16. Vorzugsweise bildet der thermoplastische Kunststoff im ausgehärteten Zustand einen Polymer oder Polymerschaum.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist innerhalb der Volumenschicht 16 ein geschwungener oder mäandrierender röhrenförmiger Medienkanal 18 ausgebildet. In der gezeigten schematischen Darstellung ist der Medienkanal 18 durch die erste metallische Deckschicht 12 hindurch sichtbar, was jedoch nicht der Realität entsprechen muss und was vorliegend zur besseren Erkennbarkeit des Medienkanals 18 beziehungsweise dessen Verlauf in der Volumenschicht 16 dient.
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Der Medienkanal 18 kann im Fluidinjektionsdruckverfahren gebildet sein. Mit anderen Worten kann der Medienkanal 18 dadurch gebildet werden, dass in die noch nicht vollständig ausgehärtete Volumenschicht 16 ein Fluid mit Hochdruck injiziert wird, wobei das Fluid innerhalb der Volumenschicht 16 noch geschmolzenes Material verdrängt und so den Medienkanal 18 ausbildet. Zusätzlich zu dem Hochdruckfluid kann ein Projektil zum Einsatz kommen, welches entlang der hier durch den Pfeil 20 dargestellten Richtung in die noch weiche Volumenschicht 16 zur Bildung des Medienkanals 18 eingeschossen wird.
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Bevorzugt wird der Druck beim Fluidinjizieren derart gewählt, dass eine gewünschte oder vorbestimmte Geometrie des Medienkanals 18 ausgebildet wird. Die Geometrie des Medienkanals 18 kann alternativ oder zusätzlich durch bereits in einer oder in beiden der Deckschichten 12, 14 vorgeformte Strukturelemente, beispielsweise Sicken und/oder Rippen, bestimmt oder geleitet werden. Vorzugsweise verbleibt eine Restwandstärke innerhalb der Volumenschicht 16 um den Medienkanal 18 herum, so dass dieser nicht direkt durch eine Innenseite einer jeweiligen Deckschicht 12, 14 begrenzt wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Fluiddichtigkeit oder Mediendichtigkeit des Medienkanals 18 erzielt werden.
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Im Betrieb kann das mehrschichte Spritzgussbauteil beispielsweise als Batteriewanne oder Batteriedeckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Bekanntermaßen ist es vorteilhaft, derartige Batterien auf einer konstanten Temperatur zu halten oder zu temperieren. Zu diesem Zweck kann der Medienkanal 18 durch ein entsprechend temperiertes Temperiermittel durchströmt werden. So kann beispielsweise eine Wärme von der Batterie durch eine erste der metallischen Deckschichten 12 aufgenommen und an den Medienkanal 18 weitergeleitet werden. Dort kann die Wärme mit Hilfe des Temperiermediums, welches in den Medienkanal 18 strömt, aufgenommen und über die zweite der metallischen Deckschichten 14 an eine Umgebung der Batterie abgeleitet werden.
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Um eine verbesserte Haftung des thermoplastischen Kunststoffs der Volumenschicht 16 an den Innenseiten der metallischen Deckschichten 12, 14 zu bewirken, können diese Innenseiten vorbehandelt werden. Hierzu können sie beispielsweise mit einem Plasma behandelt werden, es kann eine Koronaentladung vorgenommen werden, oder die Oberflächen beziehungsweise Innenseiten können geflämmt werden. Auch ist es denkbar, die Innenseiten mit einer Mikrostruktur zu versehen, in die der thermoplastische Kunststoff der Volumenschicht 16 beim Injizieren zumindest teilweise eindringen kann oder eingepresst werden kann. Hierbei kommt es zu einem Formschluss zwischen der Volumenschicht 16 und der derart strukturierten Innenseite einer jeweiligen metallischen Deckschicht 12, 14, was die Haftung zwischen Kunststoff und metallischer Deckschicht weiter verbessern kann.
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Eine jeweilige der metallischen Deckschichten 12, 14 kann zusätzlich mit Funktionalisierungselementen versehen sein. Hierzu zählen beispielsweise Stecker beziehungsweise Anschlusspositionen und/oder Anschlagselemente für eine verbesserte Zellenpositionierung von Batteriezellen an einer jeweiligen metallischen Deckschicht 12, 14.
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2 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 1 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines mehrschichtigen Spritzgussbauteils 10.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Spritzgusswerkzeug bereitgestellt, welches zumindest eine Kavität aufweist. Das Spritzgusswerkzeug weist außerdem zumindest einen Injektionspunkt zum Einspritzen oder Injizieren des thermoplastischen Kunststoffs auf. Außerdem weist das Spritzgusswerkzeug einen Fluidinjektionspunkt zum Injizieren eines Hochdruckfluids in den noch nicht ausgehärteten thermoplastischen Kunststoff auf. Das Spritzgusswerkzeug kann als Bestandteil einer Fertigungsstraße bereitgestellt werden, wobei zusätzliche und hier nicht beschriebene Verfahrensschritte vor oder nach dem Spritzgussprozess an dem mehrschichtigen Spritzgussbauteil 10 entlang der Fertigungsstraße ausgeführt werden können.
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Gemäß einem Verfahrensschritt S2 wird zumindest eine metallische Deckschicht 12, 14, beispielsweise in der Form eines Aluminiumblechs, in die Kavität des Spritzgusswerkzeugs eingeführt. Je nach Orientierung der Kavität kann es sich bei dem Einführen um ein Einlegen oder auch ein Einhängen der metallischen Deckschicht 12, 14 handeln. Die metallische Deckschicht 12, 14 kann bereits vor dem Einführen vorgeformt worden sein. Dies kann beispielsweise in einer Verformungsstation oder in einem Umformwerkzeug der Fertigungsstraße durchgeführt worden sein. Die metallische Deckschicht 12, 14 kann beim Einführen in die Kavität jedoch auch eben oder plan ausgebildet sein. Optional kann die metallische Deckschicht 12, 14 innerhalb des Spritzgusswerkzeugs während des Spritzgussprozesses verformt werden.
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In einem Verfahrensschritt S3 wird der thermoplastische Kunststoff durch den Injektionspunkt des Spritzgusswerkzeugs injiziert, um so die Volumenschicht 16 zu bilden. Mit anderen Worten kann der thermoplastische Kunststoff an die zumindest eine metallische Deckschicht 12, 14 angespritzt werden. Sollten sich zwei metallische Deckschichten 12, 14 innerhalb der Kavität befinden, so kann der thermoplastische Kunststoff zwischen die beiden metallischen Deckschichten 12, 14 eingespritzt werden. Es ist denkbar, dass durch den beim Einspritzen vorherrschenden Injektionsdruck die metallischen Deckschichten 12, 14 ausgebeult oder verformt werden, wobei hierdurch Strukturelemente wie zum Beispiel Rippen und/oder Sicken in den metallischen Deckschichten 12, 14 ausgebildet werden können.
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In einem Verfahrensschritt S4 härtet die Volumenschicht 16 beziehungsweise der thermoplastische Kunststoff in dem Spritzgusswerkzeug teilweise aus. Dabei verbindet sich die Volumenschicht 16 mit zumindest einer oder auch beiden der metallischen Deckschichten 12, 14,
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In einem Verfahrensschritt S5 wird während des Aushärtens mittels Fluidinjektion durch den Fluidinjektionspunkt des Spritzgusswerkzeugs ein röhrenförmiger Medienkanal 18 in einen noch nicht ausgehärteten Kernbereich der Volumenschicht 16 eingeformt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichstrukturen mit metallischen Deckschichten und Kunststoffen mit hohlen Kanälen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20210101322 A1 [0003]
- DE 102015008561 A1 [0004]
- DE 19963623 A1 [0005]
