DE19747021A1 - Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper - Google Patents

Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper

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Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Gasinjektionstechnik - im folgenden GIT genannt - ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens. Hierbei wird das Werkzeug zum Teil oder vollständig mit einer Polymerschmelze gefüllt, danach wird ein Inertgas injiziert, um den noch schmelzeflüssigen Kern auszublasen. Auf diese Weise entsteht ein Hohlkörper. Es existieren zahlreiche Verfahrensvarianten und Vorrichtungen für die GIT/1-16/.
Zur Erzielung hoher mechanischer Eigenschaften bei Kunststoffprodukten, welche durch konventionelles Spritzgießen hergestellt werden, kommen kurz- oder langglasfaserverstärkte Kunststoffe schon seit langer Zeit zum Einsatz /17-22/. Diese werden zunehmend auch bei der GIT eingesetzt, um Produkte mit verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.
Geflechte und Matten aus Endlosfasen werden bisher bei klassischen Verarbeitungs­ verfahren für duroplastische Faserverbundkunststoffe eingesetzt (Pressen, Wickeln etc.). Im Bereich des Pressens finden auch glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) ein wachsendes Anwendungsgebiet. Im Bereich des Kompaktspritzgießens können vorgeformte thermoplastische Prepregs eingesetzt werden. Rundgeflechte zur Herstellung von Hohlkörpern kommen im Bereich des Schlauchblasens sowie der Extrusion und Pultrusion zur Anwendung /17,18, 23-26/.
Bisher existiert kein Verfahren, welches es erlaubt, endlosfaserverstärkte Hohlkörper nach dem Spritzgießverfahren herzustellen.
Nachteile des Standes der Technik
Beim Spritzgießen von verstärkten Kunststoffen hängen die mechanischen Eigenschaften der Produkte im wesentlichen von dem Grad der Faserausrichtung und Faserschädigung ab /17, 27-29/.
Durch den Formfüllvorgang findet bei faserverstärkten Materialien eine Ausrichtung der Fasern in Strömungsrichtung statt. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften sind abhängig von der resultierenden Faserorientierung. Die Eigenschaften senkrecht zur Faserorientierung sind äußerst gering. Die Faserausrichtung und damit die mechanischen Eigenschaften können beim Kompaktspritzgießen nur unbefriedigend und bei der GIT bei stabförmigen Teilen kaum durch die Lage des Anspritzpunktes im Werkzeug beeinflußt werden. Bei GIT-Formteilen ist die Faserorientierung in den Randschichten für bestimmte Anwendungen von großem Nachteil, da nach der Gasinjektion nur noch die stark orientierte Randschicht zurückbleibt, die z. B. bei stabförmigen Formteilen zwar zu guten Zugfestigkeitswerten des Bauteils führt, für Torsions- oder Innendruckbelastungen aber sehr nachteilig ist.
Eine optimale Steigerung und gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften von spritzgegossenen Hohlkörpern kann nur erzielt werden, wenn die Faserarchitektur basierend auf der Bauteilbelastung entworfen und später definiert gefertigt werden kann. Dies ist möglich, wenn die Verstärkungsfasern zum einen in endloser Form im Spritzgießteil vorliegen und zum anderen diese Verstärkungsfasern entsprechend den Vorzugsrichtungen der mechanischen Belastung ausgerichtet sind. Weiterhin müssen die Verstärkungsfasern vollständig in die polymere Matrix eingebettet sein. Da die höchsten Belastungen eine Bauteils meist nur in einem Bereich des Formteils auftreten, kann zumeist schon durch eine lokale Verstärkung eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt werden.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht durch Endlosfasern verstärkte Hohlkörper nach dem Spritzgießverfahren herzustellen. Die Endlosfasern sollen für bestimmte Produkte in Form von Schlauchgeflechten vollständig im Kunststoff eingebettet sein. Dazu müssen Maschen und Faserstränge zuvor von der Schmelze durchdrungen werden. Ein Bestandteil der Aufgabe ist es, Vorrichtungen zu schaffen, die eine einfache Positionierung und Fixierung der Rundgeflechte im Spritzgießwerkzeug erlauben. Dies beinhaltet, daß für kraftüber­ tragende oder medienleitende Bauteile eine optimale Anbindung der Geflechtenden an die Krafteinleitungsbereiche oder Flansche des Bauteils erfolgt und der Nachbearbeitungsaufwand möglichst gering bleibt. Die so gefertigten Bauteile sollen zusätzlich eine hohe Integrationsdichte (integrierte Funktionsteile) aufweisen. Ebenfalls soll die Kombination mit anderen Spritzgießsonderverfahren möglich sein.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren zum Spritzgießen von endlosfaserverstärkten Hohlkörpern mit Hilfe der Gasinjektionstechnik - im folgenden G-GIT (Geflecht-Gasinjektionstechnik) genannt - bietet folgende Vorteile:
  • - Starke Verbesserung der Bauteileigenschaften durch definierte und kontrollierte Faseranordnung, z. B.:
    • - Erhöhung der Torsions-, Zug- und Druckfestigkeit,
    • - Verlängerung der Dauerschwingfestigkeit,
    • - Erhöhung des Berstdrucks bei Medienleitungen,
  • - hohe Integrationsdichte der Bauteile, da weitere zusätzliche Funktionsteile direkt am Formteil realisiert werden können, d. h. die Zahl zusätzlicher Arbeitsschritte wird reduziert,
  • - Geflechtfixierung kann als Funktionsteil am Formteil verbleiben,
  • - die Formteile weisen eine hohe Oberflächenqualität auf
  • - Verwendung recyclebarer thermoplastischer Kunststoffe,
  • - Verwendung des Verfahrens für alle GIT-Varianten, Spritzgießsonderverfahren und konventionelle Kompaktpritzgießverfahren naturgemäß möglich.
Weitere Vorteile bestehen in der Möglichkeit, beliebige Endlosfasern und Geflecht­ arten oder Kombinationen verwenden zu können, z. B. Glas-, Polymer- und Metallfasern und mehrlagige oder hybride Geflechte:
  • - Verstärkung der Polymermatrix durch verstreckte und/oder ultrahochmolekure Polymerfasern aus dem Matrixmaterial, d. h. hohe Recyclingfähigkeit, da der sogenannte Downcyclingeffekt (Molekulargewichtsabbau durch Mehrfachver­ arbeitung) verzögert wird,
  • - Erhöhung der Fasermatrixhaftung bei Polymerfasern oder beschichteten Fasern,
  • - Verwendung von Metallfasergeflechten für Bauteile, die eine elektromagnetische Abschirmung benötigen.
Da G-GIT auf dem Spritzgießprozeß und der Gasinjektionstechnik aufbaut, ergeben sich die folgenden Vorteile für G-GIT-Produkte:
  • - Das Spritzgießen erlaubt eine reproduzierbare, automatisierte und damit preiswerte Massenfertigung im Vergleich zu anderen Verfahren,
  • - die Gasinjektionstechnik ermöglicht:
    • - größere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Formteileauslegung,
    • - kürzere Zykluszeiten für dickwandige Formteile,
    • - Erhöhung der mechanischen Steifigkeit bei gleichem Gewicht (Abstand zur neutralen Faser),
    • - gleichmäßigere Schwindung, geringere Eigenspannungen, geringerer Verzug,
    • - Reduzierung von Einfallstellen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für z. B. kraftübertragende oder medienleitende Bauteile, wie Stabilisatorstreben, Fußpedale und Hebel, Wellen oder Druckleitungen.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 Beispiel für ein rohrförmiges Bauteil-Ausblasverfahren
Fig. 2 Beispiel für ein verripptes Bauteil-Aufblasverfahren
Fig. 3 Beispiele für Vorrichtungen nach (3), die als Einlegeteile ausgeführt sind
Fig. 4 Beispiel für Vorrichtungen nach (3), die im Spritzgießwerkzeug integriert sind.
Grundsätzlich können alle Varianten des Spritzgießverfahrens und der Gasinjektions­ technik eingesetzt werden. Im folgenden werden zwei Bespiele für das konventionelle Spritzgießverfahren in Kombination mit dem Auf- und dem Ausblasverfahren be­ schrieben.
Beispiel 1 Ausblasverfahren
In ein Spritzgießwerkzeug (1) werden Geflechte (2) eingelegt und mit Hilfe einer Vorrichtung (3) positioniert und für den Einspritzvorgang fixiert (Fig. 1). Beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in das Geflecht weitet die Quellströmung an der Fließfront das Geflecht auf, bis die Kunststoffschmelze es durchdringt. Nach der vollständigen Füllung der Kavität, kann Schmelzenachdruck aufgegeben werden, um Schwindung im Bereich von Funktionsteilen (4) zu minimieren. Die Nebenkavität (5) ist zu diesem Zeitpunkt noch durch einen Schieber (6) verschlossen. Anschließend erfolgt die Gasinjektion, um einen Hohlraum (7) zu erzeugen, dabei wird die noch flüssige Schmelze im Kern des Formteils in die Nebenkavität (5) verdrängt, die kurz vor, während oder kurz nach der Gasinjektion durch Verfahren des Schiebers (6) geöffnet wurde. Danach folgt eine Gasnachdruckphase, um weitere Schwindung zu kompensieren und die Gasrückführung. Nach Erreichung der Formstabilität erfolgt die Entformung des Formteils.
Beispiel 2 Aufblasverfahren
Hier erfolgt zuerst nur eine Teilfüllung des Werkzeuges (1) mit Schmelze. Die vollständige Füllung erfolgt durch die Gasinjektion. Ein anschließende Gas­ nachdruckphase minimiert die Formteilschwindung. Auf diese Weise entstehen Hohlräume (7) in den Formteilrippen (8), wie in Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 3 Einlegeteile
Die Positionierung und Fixierung der Geflechte (2) erfolgt durch Vorrichtungen (3), wie in Fig. 3 dargestellt. Diese sind als Einlegeteile (9a-c) ausgeführt, auf denen die Geflechte (2) fixiert werden und im Spritzgießwerkzeug (1) positioniert werden. Die Einlegeteile (9) verbleiben als Funktionsteile am Formteil und übernehmen so die Funktion eines Flansches und einer Krafteinleitung (9a, b) oder eines Anschlusses (9c) bei Medienleitungen.
Beispiel 4 Im Spritzgießwerkzeug integrierte Vorrichtungen
Die Positionierung und Fixierung der Geflechte (2) erfolgt nach Bedarf durch Vorrichtungen (3), die in ein Spritzgießwerkzeug (1) integriert sind (Fig. 4). Dazu werden die Geflechte auf Kerne (10a) aufgezogen, die durch eine Verfahrbewegung die Geflechte fixieren, nachdem das Werkzeug (1) geschlossen wurde. Anschließend erfolgt die Schmelze- und Gasinjektion. Für die Gasinjektion kann eine Gasdüse (10b) in den Kern (10a) integriert sein. Nach der Gasinjektion wird der Kern zurückgezogen, um das Formteil wieder freizugeben. Alternativ kann der Kern auch nach der Schmelzeinjektion gezogen werden, da die Kunststoffschmelze in den Randschichten schon erstarrt ist und so das Geflecht fixiert. In diesem Fall ist die Injektion einer zweiten Kunststoffkomponente vor der Gasinjektion möglich.
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/16/ Ziegler, H. P. Vorrichtung zum Einbringen eines dosierten Gasvolumens in einen mit einer Kunststoffschmelze gefüllten Formhohlraum einer Spritzform
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Claims (7)

1. Verfahren zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Hohlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß beliebige Schlauchgeflechte (2) ein- oder mehr­ lagig durch Verwendung von Vorrichtungen (3) so in ein Spritzgießwerkzeug (1) positioniert und fixiert werden, daß bei der Injektion der Kunststoffschmelze in die Geflechte (2), diese
  • a) von innen heraus von der Kunststoffschmelze durchströmt werden und so diese Geflechte vollständig in Kunststoff eingebettet sind und anschließend durch ein beliebiges Verfahren der Gasinjektionstechnik ein Hohlraum (7) erzeugt wird oder daß durch die Verwendung entsprechend dichter Geflechte, diese
  • b) nicht von der Kunststoffschmelze durchströmt werden, sondern durch die Schmelzeinjektion und Schmelzenachdruck so an die Werkzeugwände angelegt werden, daß diese Geflechte die Außenhaut des Formteils bilden und an­ schließend durch ein beliebiges Verfahren der Gasinjektionstechnik ein Hohlraum (7) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung und Fixierung der Schlauchge­ flechte mit Hilfe von Vorrichtungen (3) in Form von Einlegeteilen (9) realisiert wird, die als Funktionsteile am Formteil verbleiben.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung und Fixierung der Schlauch­ geflechte mit Hilfe von Vorrichtungen (3) realisiert wird, die im Spritzgießwerkzeug integriert sind (10).
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Kunststoffschichten kompakt oder geschäumt nach dem Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren gefertigt werden,
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des Kunststoffes auch durch das Reaction Injection Moulding (RIM) Verfahren erfolgt, nach Bedarf anschließend der Hohlraum durch Gasinjektion erzeugt wird und/oder weitere Schichten durch ein Mehrkomponenten-RIM-Verfahren hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formhohlräume im Spritzgießwerkzeug zuvor mit unter Druck stehendem Inertgas gefüllt werden.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Formkörper mit kompaktem oder geschäumten Kern vorliegen, wenn kein Verfahren der Gasinjektionstechnik in einem folgenden Schritt eingesetzt wird.
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