DE202018001599U1

DE202018001599U1 - Prüfkörper für Hohlprofil-Verbundtechnologie

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Publication number: DE202018001599U1
Application number: DE202018001599.7U
Authority: DE
Original assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Current assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2028-03-28

Abstract

Prüfkörper umfassend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper, der von zwei Auslegern in einer gegenüber liegenden Anordnung von 180°, mit Abweichungen im Bereich von +/- 10%, ringförmig umformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Untersuchung der Stoff- und Verbundeigenschaften für eine Bauteilauslegung, umfassend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper mit zwei am Hohlprofilgrundkörper in einer gegenüber liegenden Anordnung von 180° angebrachten Auslegern.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Untersuchung von Lastfällen und /oder Stoffeigenschaften von Polymeren, insbesondere in der Interaktion mit einem Hohlprofilgrundkörper, unter Verwendung eines solchen Prüfkörpers.
Nachteil bei der Konzipierung und vor der Herstellung von Erzeugnissen ist, dass sich der Ort des Versagens im Falle der Einwirkung innerer oder äußerer Kräfte nicht vorhersagen lässt. Um Auslegungskriterien für Bauteile, insbesondere von Bauteilen für die Kraftfahrzeugindustrie zu erhalten, werden Prüfkörper unterschiedlichster Bauart eingesetzt. Zur Untersuchung der Zugfestigkeit von Polymeren ist es beispielsweise üblich, genormte Zugstäbe einzusetzen, die sich an Normen wie DIN EN ISO 3167, DIN EN ISO 527-2, DIN EN ISO 10724-1 etc. orientieren. Jedoch können die mit Zugstäben gewonnenen Informationen nicht auf alle Belastungsarten eingesetzt werden. Um beispielsweise die Druckbeaufschlagung auf Hohlkörper zu messen, werden entsprechende Prüfkörper in EP 2 324 334 B1 vorgeschlagen.
Ein weiterer wichtiger Einsatz von Prüfkörpern ist auch die Verifizierung mathematischer Modelle zur Bauteilauslegung. Da derartige mathematische Modelle derzeit im Allgemeinen nicht hinreichend verifizierbar sind, ist es notwendig zur Bauteilauslegung Versuche durchzuführen, um eine verlässliche Aussage über die Stabilität einzusetzender Werkstoffe, oder im Falle von komplexen Bauteilen über die dabei einzusetzenden Komponenten, zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prüfkörper für einen Verbund eines Hohlprofilgrundkörpers mit wenigstens einer auf den Hohlprofilgrundkörper aufzutragenden Kunststoffkomponente bereitzustellen, der es ermöglicht, Versuche zur Bauteilauslegung mit kürzeren Versuchszeiten durchzuführen und der es ermöglicht, eine verlässliche Aussage sowohl über die statische und dynamische Verbundfestigkeit, bzw. Dauerverbundfestigkeit, als auch der Verbundsteifigkeit zwischen der Kunststoffstruktur und dem Hohlprofilgrundkörper in axialer, radialer und torsionaler Richtung zum Hohlprofilgrundkörper zu liefern.
Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Prüfkörper umfassend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper, der von zwei Auslegern in einer gegenüber liegenden Anordnung von 180°, mit Abweichungen im Bereich von +/- 10%, vorzugsweise +/- 5%, insbesondere bevorzugt +/- 1%, ringförmig umformt wird.
Vorteil des erfindungsgemäßen Prüfkörpers ist die Prüfung des Verbunds von Hohlprofilgrundkörper und Kunststoffauftrag, wobei man auf die äußeren Enden der Ausleger definierte oder messbare Kräfte einwirken lassen kann, bis entweder der Verbund als solcher versagt, oder ein Versagen in wenigstens einer der durch Kunststoffauftrag geformten Ausleger durch Bruch erfolgt.
Der mithilfe der Hebelgesetze am erfindungsgemäßen Prüfkörper zu untersuchende Gegenstand sind weniger die im Prüfkörper zum Einsatz kommenden Werkstoffe, als vielmehr der durch Einsatz verschiedener Materialien und Geometrien erzeugte Verbund von Hohlprofilgrundkörpermaterial und ringförmig um den Hohlprofilgrundkörper aufgebrachten Kunststoffumspritzung. Zusätzlich dient das Werkzeug und der Prüfkörper der Ermittlung der optimalen Verfahrensparameter für den zu diesem Zweck erforderlichen Spritzgießprozess.
Der erfindungsgemäße Prüfkörper ist ein Demonstrator/Demonstrationsbauteil um Interessenten in einer Präsentation einen subjektiven Eindruck über die Verbundsteifigkeit, als auch über die Verbundfestigkeit neuartiger Verbundtechnologien zu vermitteln. Im einfachsten Fall dienen dazu Handgriffe, die über die Enden der Kunststoffausleger gesteckt und auf diese Weise mit dem Prüfkörper verklemmt werden. Über die Griffe lassen sich dann Druckkräfte in verschiedene Richtungen auf den Prüfkörper ausüben, vorzugsweise axial, radial und/oder torsional.
Wird der Prüfkörper zur physikalischen Untersuchung der statischen, als auch dynamischen Verbundfestigkeit bzw. Dauerverbundfestigkeit oder auch zur Ermittlung der Verbundsteifigkeit zwischen der durch Spritzguss aufgetragenen Kunststoffstruktur in Form der Ausleger und dem Hohlprofilgrundkörper in axialer, radialer und torsionaler Richtung zum Hohlprofilgrundkörper verwendet, so kommen anstelle der Handgriffe für solche Tests geeignete mechanische Aufnahmen zur Anwendung. Diese Aufnahmen sind jedoch nicht Bestandteil des Prüfkörpers, sondern des jeweiligen Prüfaufbaus. Jeder Test besitzt einen eigenen individuell auf die Belastungsart abgestimmten Prüfaufbau.
Anhand der mittels des erfindungsgemäßen Prüfkörpers ermittelten Resultate zur dynamischen Verbundfestigkeit, bzw. Dauerverbundfestigkeit, als auch der Verbundsteifigkeit zwischen der Kunststoffstruktur und dem Hohlprofilgrundkörper in axialer, radialer und torsionaler Richtung, werden in einem Folgeschritt Computermodelle vom Prüfkörper und dazugehörigem Werkzeug validiert. Die geometrischen Abmessungen von Hohlprofilgrundkörper und Kunststoffauslegern des Computermodells entsprechen dabei exakt denen des realen Prüfkörpers. Außerdem dient der erfindungsgemäße Prüfkörper und das für seine Herstellung erforderliche Werkzeug der Ermittlung der optimalen Verfahrensparameter für den Spritzgießprozess. Auch hierfür werden im Nachgang die Berechnungsergebnisse der rheologischen Computersimulation des Spritzgießverfahrens zum erfindungsgemäßen Prüfkörper validiert.
Zur Klarstellung sei angemerkt, dass alle im Folgenden aufgeführten, allgemeinen oder in Vorzugsbereichen genannten Definitionen und Parameter in beliebigen Kombinationen umfasst sind. Im Rahmen dieser Anmeldung zitierte Normen gelten in der zum Anmeldetag gültigen Fassung.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand von 1 und 2 näher erläutert:

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkörper mit zylinderförmigem Hohlprofilgrundkörper mit zwei, durch Kunststoffauftrag mittels Spritzguss aufgebrachten Auslegern, die den Hohlprofilgrundkörper ringförmig umgeben und die ihrerseits - wie bei einem Fahrradlenker - mit zwei Handgriffen versehen sind, um auf einen fixierten Prüfkörper mit beiden Händen Kraft auf den Verbund auszuüben.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkörper zwischen zwei Werkzeughälften mit den durch Kunststoffumspritzung am Hohlprofilgrundkörper angebrachten zwei Auslegern. Gut zu erkennen sind in 2 zudem die Angusskanäle für im Spritzguss gleichzeitig herzustellende Stützelemente, die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den Hohlzylinder des Hohlprofilgrundkörpers eingeführt und dort positioniert werden, wo im Spritzguss der Kunststoffauftrag erfolgen wird. Durch das gleichzeitige Spritzen von Kunststoffauftrag und Stützelementen werden Letztere für den nächsten Zyklus bereitgestellt.

Die Dimensionen eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers werden unter verschiedenen Gesichtspunkten gewählt, wobei sich die Dimensionen vorzugsweise an entsprechenden Hohlprofilgrundkörpern, wie sie in der Fahrzeugindustrie, insbesondere Kraftfahrzeugindustrie als Karosseriebauteil, eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist ein im erfindungsgemäßen Prüfkörper einzusetzender Hohlprofilgrundkörper ein Durchmesser/Wanddickenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 300:1 auf.
Vorzugsweise, und um als Demonstrator oder Prüfkörper eingesetzt zu werden, hat der erfindungsgemäße Prüfkörper eine Länge im Bereich von 10 bis 200cm, wobei als Länge der Bereich von einem Ende des ersten Auslegers bis zum Ende des zweiten Auslegers über den Hohlprofilgrundkörper hinweg gemessen, bezeichnet wird.
Aus praktischen Gründen, und um als Demonstrator oder Prüfkörper eingesetzt zu werden, weist ein erfindungsgemäß einzusetzender Hohlprofilgrundkörper vorzugsweise einen runden Umfang im Bereich von 2 bis 10cm auf, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 5cm auf. Abweichungen vom runden Umfang im Bereich von +/- 3% liegen im Bereich von Fertigungstoleranzen.
Aus praktischen Gründen, und um als Demonstrator oder Prüfkörper eingesetzt zu werden, weist ein erfindungsgemäß einzusetzender Hohlprofilgrundkörper vorzugsweise eine Wanddicke im Bereich von 0,1 bis 10mm auf.
Die Verbundfestigkeit und -steifigkeit ist eine lokale Eigenschaft, die nur in dem mit Kunststoff umspritzten Bereich des Hohlprofilgrundkörpers auftritt. Die Länge des Hohlprofilgrundkörpers ist erfindungsgemäß nicht relevant. Aus praktischen Gründen, und um als Demonstrator oder Prüfkörper eingesetzt zu werden, weist ein erfindungsgemäß einzusetzender Hohlprofilgrundkörper vorzugsweise eine Länge im Bereich von 10 bis 250cm, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 50cm, insbesondere bevorzugt im Bereich von 20 bis 40cm auf. Ein für einen erfindungsgemäßen Prüfkörper einzusetzender Hohlprofilgrundkörper weist vorzugsweise wenigstens zwei Öffnungen, jeweils eine an den Stirnseiten, auf.
In einer alternativen Ausführungsform kann statt eines Hohlprofilgrundkörpers ein Vollzylinder, d.h. ohne Hohlraum, eingesetzt werden.
Die Versuche zur vorliegenden Erfindung wurden mit einem Hohlprofilgrundkörper durchgeführt, dessen Dimensionen sich an einem heutzutage in Kraftfahrzeugen eingesetzten Instrumententafelquerträger orientierten, mit einer Länge von 150mm, einem Außendurchmesser von 40mm und Wanddicken von 1,2mm bzw. 2,7mm.
Das Verhältnis von Rohrlänge zu Rohrwandstärke ist in erster Linie für die Torsions-, Biege- und Drucksteifigkeit des Hohlprofilgrundkörpers von Relevanz. Bei den gewählten mittels Kunststoffauftrag umspritzten Flächen des Hohlprofilgrundkörpers ist das Verhältnis von Rohrlänge zu Rohrwandstärke für die Verbundsteifigkeit bzw. -festigkeit des Prüfkörpers, insbesondere in seiner Eigenschaft als Demonstrator, eher von untergeordneter Relevanz.
Aus praktischen Gründen, und um als Demonstrator oder Prüfkörper eingesetzt zu werden, orientiert sich das Material des Hohlprofilgrundkörpers an denen, wie sie üblicherweise im Fahrzeugbau, insbesondere Kraftfahrzeugbau, eingesetzt werden. Vorzugsweise besteht der Hohlprofilgrundkörper vollständig aus Metall, einer Metalllegierung oder aus Kunststoff. Bevorzugte Metalle sind Eisen, Aluminium, Magnesium oder Titan. Bevorzugte Legierungen sind Stahl oder Aluminiumlegierungen.
Ein erfindungsgemäßer zylinderförmiger Hohlprofilgrundkörper auf Basis einer Aluminiumlegierung besteht vorzugsweise aus EN - AW 6060 T66 (AlMgSi 0,5) und ist beispielweise erhältlich bei MIFA Aluminium BV, Venlo, Niederlande.
Bevorzugte Kunststoffe für den Hohlprofilgrundkörper werden ausgewählt aus der Gruppe Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM) und Polystyrol (PS), beliebige Mischungen der vorgenannten Kunststoffe sowie Mischungen der vorgenannten Kunststoffe mit wenigstens einem Füll- und/oder Verstärkungsstoff oder Additiv.
Die Ausleger stehen nicht in einem bestimmten Verhältnis zum Hohlprofilgrundkörper. Die Dimensionen werden unter verschiedenen Gesichtspunkten gewählt. Das Verhältnis der Länge der beiden Ausleger zur Länge des Hohlprofilgrundkörpers ist nicht relevant. Vielmehr werden die Dimensionen der beiden Auslegerprofile so bemessen, dass ein Versagen immer erst in den durch Spritzguss erzeugten und den Hohlprofilgrundkörper umschließenden Verbindungsringen bzw. in deren Aufliegefläche zum Hohlprofilgrundkörper auftritt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrug für einen als Demonstrator für einen Instrumententafelquerträger angefertigten Prüfkörper, in einer Ausgestaltung gemäß 1, die Ausdehnung vom einen Ende des ersten Auslegers bis zum anderen Ende des zweiten Auslegers 389mm und der zylinderförmige Hohlprofilgrundkörper hatte die Länge von 150mm.
Gemäß 1 werden die beiden Ausleger auf dem zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper mittels dreier Kunststoffringe durch Spritzguss aufgebracht, wovon der eine Ausleger über den zentralen Kunststoffring den Hohlprofilgrundkörper umschließt, während der andere Ausleger über zwei, den zentralen Kunststoffring umgebende Kunststoffringe den Hohlprofilgrundkörper umschließt. Weniger die Länge des Hohlprofilgrundkörpers als vielmehr die Geometrie der Kunststoffumspritzung um denselben ist für die Funktion des Prüfkörpers als Demonstrator entscheidend. Insbesondere die Breite der Aufliegefläche der Kunststoffringe auf der Hohlprofilgrundkörperaußenfläche, aber auch die Kunststoffwanddicke haben Einfluss auf die Verbundhaftung der Materialien.
Vorzugsweise ist dabei die Aufliegefläche der beiden äußeren Kunststoffringe auf dem Hohlprofilgrundkörper gleich der Aufliegefläche des inneren Kunststoffrings auf dem Hohlprofilgrundkörper. Toleranzen im Bereich von +/- 10% sind möglich.
Im Falle eines als Demonstrator für einen Instrumententafelquerträger angefertigten Prüfkörpers mit den oben angegebenen Maßen, insbesondere in Ausgestaltung gemäß 1, hatten die beiden äußeren Kunststoffringe jeweils eine Breite von 24mm während der zentrale Kunststoffring eine Breite von 50mm aufwies. Bezogen auf 100% der Außenfläche des Hohlprofilgrundkörpers entspricht dies folgenden Werten: 16%, 33.33%, 16%.
Vorzugsweise werden zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers 25 bis 75% der Außenfläche eines erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers mit Kunststoff für die Befestigung der beiden Ausleger ringförmig umspritzt, besonders bevorzugt 50 bis 70%.
Die Wanddicke der Kunststoffringe beider Ausleger auf dem Hohlprofilgrundkörper liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 10mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 6mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 4mm. Bei einem als Demonstrator für einen Instrumententafelquerträger angefertigten Prüfkörper mit den oben angegebenen Maßen, insbesondere in Ausgestaltung gemäß 1, hatten die beiden äußeren Kunststoffringe eine Wanddicke von 4 mm.
Die Verbindung zwischen Kunststoff und Hohlprofilgrundkörper lässt sich auf dreierlei Weise erreichen. Erstens durch einen reinen geometrischen Formschluss, zweitens durch Adhäsion zwischen den Kontaktflächen der beiden Komponenten, oder drittens durch eine Kombination der beiden Möglichkeiten. Ein als Demonstrator für einen Instrumententafelquerträger angefertigter erfindungsgemäßer Prüfkörper, insbesondere in Ausgestaltung gemäß 1, ist deshalb so gestaltet, dass man alle diese Möglichkeiten daran untersuchen kann. Beim reinen geometrischen Formschluss gibt es keine Adhäsionskräfte zwischen den Kontaktflächen der beiden Komponenten, der Kunststoffkomponente und dem Material der Hohlprofilgrundkörperaußenfläche. Technisch lässt sich der geometrische Formschluss zwischen Kunststoffauftrag und Hohlprofilgrundkörperaußenfläche im Millimeterbereich, im Mikrometerbereich und auch im Nanometerbereich herstellen. Dazu benutzt man das komplette Umspritzen des Hohlprofilgrundkörpers, die während des Spritzgießprozesses aufgrund des Spritzgießdrucks stattfindende Umformung der Hohlprofilgrundkörperwandung, aber auch in bevorzugten Ausführungsformen strukturierte Oberflächen der Hohlprofilgrundkörperaußenfläche.
Eine Behandlung der Hohlprofilgrundkörperaußenfläche erfolgt vorzugsweise, um eine adhäsive Verbindung mit dem Kunststoffauftrag herbeizuführen. Geeignete Behandlungsverfahren sind dem Fachmann bekannt, siehe:
https://de.wikipedia.org/wiki/Oberfi%C3%A4chentechnik
Bevorzugte Oberflächenbehandlungsverfahren für einen erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörper sind auszuwählen aus der Gruppe

• chemische Oberflächenvorbehandlung, insbesondere Reinigen, Entfetten, Beizen, Ätzen, Enteloxieren;
• mechanische Oberflächenvorbehandlung oder Oberflächenbehandlung, insbesondere: Schleifen, Polieren, Strahlen, Rändeln, Bürsten;
• Beschichten der Oberfläche, insbesondere Lackieren, Pulverbeschichten, galvanische Metallabscheidung, vorzugsweise Verchromen, ferner Emaillieren, Schmelztauchen, vorzugsweise Feuerverzinken;
• Abtragen oder Umformen der Oberfläche, insbesondere Oxidieren, vorzugsweise Brünieren, Eloxieren, ferner Elektropolieren, Laserpolieren
• Erzeugen von physikalischen und chemischen Gasphasenabscheidungsschichten

Die Eigenschaften des Verbunds zwischen Hohlprofilgrundkörper und Kunststoffumspritzung im erfindungsgemäßen Prüfkörper sind neben den Materialeigenschaften der beiden Komponenten Kunststoff und Hohlprofilgrundkörper, wie Festigkeit, E-Modul, Viskosität, usw. auch von Verfahrensparametern wie Spritzdruck, Nachdruck, Nachdruckzeit, Kunststoffschmelztemperatur, Werkzeugtemperatur, Reinheit der Hohlprofiloberfläche (z.B. öl- bzw. fettfrei) abhängig.
In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Prüfkörper umfassend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper, der von zwei Auslegern in einer gegenüber liegenden Anordnung von 180°, mit Abweichungen im Bereich von +/- 10%, vorzugsweise +/- 5%, insbesondere bevorzugt +/- 1%, ringförmig umformt wird mit wenigstens einem innerhalb des Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelement.
Ein erfindungsgemäßer Prüfkörper ist
vorzugsweise erhältlich durch

a) Bereitstellen wenigstens eines Stützelements,
b) Bereitstellen wenigstens eines zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Wanddicke im Bereich von 5:1 bis 300:1,
c) Einbringen und Positionieren des wenigstens einen Stützelements innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen, an denen die Kunststoffumspritzung erfolgen wird, sowie Fixieren desselben, wozu das Außenmaß oder die Außenquerschnittsform des Stützelements kongruent dem Innenmaß oder der Innenquerschnittsform des Hohlprofilgrundkörpers entspricht,
d) Verformen des Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise nur im Bereich des wenigstens einen im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements, durch Einwirken äußerer Kräfte auf die Hohlprofilgrundkörperaußenwandung unter Verringerung des Außenmaßes des Hohlprofilgrundkörpers um einen Bereich von 0,5 bis 5% bezogen auf dessen ursprüngliches Außenmaß,
e) Einlegen des wenigstens ein Stützelement enthaltenden Hohlprofilgrundkörpers in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs,
f) Schließen des Spritzgießwerkzeugs und lokales Verformen des Hohlprofilgrundkörpers in Schließrichtung des Spritzgießwerkzeugs an der Position oder den Positionen, an denen sich die axialen Enden des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements befinden,
g) Umspritzen des Hohlprofilgrundkörpers mit Kunststoff in Form einer Schmelze lokal begrenzt in dem Bereich des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements, und Verformung des Hohlprofilgrundkörpers durch den Spritzdruck nur im Bereich des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements unter Ausbildung der beiden Ausleger,
h) Abkühlen der Kunststoffschmelze (Solidifikation), und
i) Entnehmen des fertigen Prüfkörpers aus dem Spritzgießwerkzeug.

Zwar müssen gemäß Verfahrensschritt a) bereitzustellende Stützelemente in einem separaten Schritt hergestellt werden, aber diese erfordern - da innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers positioniert - keinen zusätzlichen Bauraum. Aus ökonomischen Zwecken und wie in 2 dargestellt, empfiehlt sich die Herstellung von Stützelementen gleichzeitig mit dem Kunststoffauftrag für die Ausleger, wobei diese Stützelemente dann im nächsten Zyklus eingesetzt werden. Der Verbleib eines Stützelements im Hohlprofilgrundkörper kann zunächst ein Zusatzgewicht für den Prüfkörper bedeuten, jedoch am Ende des Prozesses zu einem geringeren Gewicht führen, insbesondere wenn deshalb Hohlprofilgrundkörper mit geringeren Wanddicken eingesetzt werden können, oder aber Stützelement(e) durch nachträgliches Entfernen, insbesondere durch Ausschmelzen, wieder aus dem Hohlprofilgrundkörper entfernt werden.
Die entstehende Form bzw. Strukturierung der Wandung des Hohlprofilgrundkörpers im Prüfkörper und somit die Wandung der Verbindungsfläche der beiden Komponenten des Prüfkörpers wird über die Gestalt des wenigstens einen Stützelements definiert bzw. gesteuert. Es entsteht eine formschlüssige Verbindung/Verzahnung von Hohlprofilgrundkörper und der Kunststoffumspritzung mit der Blockierung aller Freiheitsgrade, translatorisch in X-, Y- und Z-Richtung und rotatorisch um die X-, Y- und Z-Achse und somit eine schubfeste und schubsteife Verbindung wenigstens in axialer, vorzugsweise in axialer und radialer Richtung, bezogen auf den Hohlprofilgrundkörper und nach Solidifikation.
Entfernt man nach dem Verfahrensschritt i) das wenigstens eine Stützelement aus dem Innern des Hohlprofilgrundkörpers in einem zusätzlichen Verfahrensschritt j), so erhält man in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Prüfkörper ohne Stützelement(e).
Die Schubfestigkeit ist eine Stoffkonstante, die den Widerstand eines Werkstoffs gegen Abscherung beschreibt, also gegen eine Trennung durch Kräfte, die zwei einander anliegende Flächen längs zu verschieben suchen.
Die Schubfestigkeit wird bestimmt durch den Schubmodul, auch Gleitmodul genannt. Letzterer wird nach DIN ISO 1827 bestimmt. Schubfest miteinander verbunden bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung eine in axialer Richtung, vorzugsweise in axialer und torsionaler Richtung, des Hohlprofilgrundkörpers schubsteife, formschlüssige Verbindung des Hohlprofilgrundkörpers mit wenigstens einem auf dem Hohlprofilgrundkörper aufgebrachten Kunststoffelement.
Die Schubsteifigkeit ist das Produkt aus dem Schubmodul G eines Werkstoffs und der Querschnittsfläche . Es gilt: $Schubsteifigkeit = G \cdot A \cdot κ (= G \cdot A_{s})$
Der querschnittsabhängige Korrekturfaktor κ berücksichtigt dabei die über den Querschnitt ungleichförmige Verteilung der Schubspannung T. Oft wird die Schubsteifigkeit auch mithilfe der Schubfläche A_s ausgedrückt. Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Steifigkeit.
Formschlüssige Verbindungen im Sinne der vorliegenden Erfindung entstehen durch das Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern, die eine nichtlösbare Verbindung miteinander eingehen und sich nur durch Zerstören voneinander wieder trennen. Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Verbindungstechnik.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden in einem Verfahrensschritt k) eventuelle Grate oder Angusskanäle von den durch Kunststoffumspritzung entstandenen Auslegern entfernt.
In einer bevorzugten oder alternativen Ausführungsform wird ein Hohlprofilgrundkörper mit wenigstens einer Sicke oder wenigstens einer Öffnung, vorzugsweise mehrere Sicken bzw. mehrere Öffnungen, oder beidem, die während oder nach Verfahrensschritt c) von außen in die Wandung des Hohlprofilgrundkörpers im Bereich des wenigstens einen Stützelements eingebracht werden, vorzugsweise exakt an der Position des wenigstens einen Stützelements, eingesetzt.
In einer weiteren bevorzugten oder alternativen Ausführungsform wird nach dem Verfahrensschritt i) im Falle eines metallischen Hohlprofilgrundkörpers ein zusätzliches Innenhochdruckverfahren (IHU) zur Formänderung des Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen angewendet, an denen sich kein Stützelement und auch keine Kunststoffumspritzung befindet. Siehe:
https://de.wikipedia.org/wiki/Innenhochdruckumformen
In einer weiteren bevorzugten oder alternativen Ausführungsform wird nach dem Verfahrensschritt i) im Falle eines Hohlprofilgrundkörpers aus Kunststoff ein zusätzliches Blasformverfahren zur Formänderung des Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen angewendet, an denen sich kein Stützelement und auch keine Kunststoffumspritzung befindet.
In einer weiteren bevorzugten oder alternativen Ausführungsform wird nach dem Verfahrensschritt i) der Hohlprofilgrundkörper an wenigstens einer Position durch das Einwirken zusätzlicher Biegekräfte an Positionen, an denen sich kein Stützelement und auch keine Kunststoffumspritzung befindet, verformt.
In einer weiteren bevorzugten oder alternativen Ausführungsform wird die Verbindung von Hohlprofilgrundkörper und Kunststoffumspritzung mit der Blockierung aller Freiheitsgrade, translatorisch in X-, Y- und Z-Richtung und rotatorisch um die X-, Y- und Z-Achse mittels einer Oberflächenbehandlung der äußeren Wandung des Hohlprofilgrundkörpers zusätzlich unterstützt. Diese Oberflächenbehandlung erfolgt vorzugsweise vor wenigstens einem der Verfahrensschritte b), c), d) oder e).
Bevorzugte Formen der Oberflächenbehandlung sind bereits oben beschrieben.
Verfahrensschritt a)
Im Verfahrensschritt a) wird wenigstens ein Stützelement bereitgestellt.
Von höchster Bedeutung für die Herstellung des Verbunds zwischen dem dünnwandigen Hohlprofilgrundkörper und der mittels Spritzguss im Verfahrensschritt g) erfolgenden Kunststoffumspritzung ist das in Verfahrensschritt a) bereitzustellende wenigstens eine Stützelement und dessen besondere Form bzw. Gestalt. Das in Verfahrensschritt a) bereitzustellende wenigstens eine Stützelement dient in erster Linie der inneren Abstützung der dünnen Hohlprofilwand.
Ohne den Einsatz wenigstens eines Stützelements würde der erfindungsgemäß einzusetzende, dünnwandige Hohlprofilgrundkörper durch den Spritzdruck im Spritzgießverfahren zusammengedrückt werden. Ein erfindungsgemäß einzusetzendes Stützelement muss in einer dem Innenquerschnitt des einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers angepassten Form oder Gestaltung vorliegen. Da dem Fachmann Form und Ausgestaltung des Prüfkörpers und des zu seiner Herstellung einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers bekannt ist, wird er entsprechend geeignete Stützelemente im Verfahrensschritt a) bereitstellen.
Beim Design, dem Material und sonstigen Ausgestaltungsmerkmalen des in Verfahrensschritt a) bereitzustellenden wenigstens einen Stützelements wird der Fachmann sich an den drei Aufgaben eines Stützelements orientieren:

1. Einzusetzende Stützelemente müssen die Hohlprofilgrundkörperwandung gegen Kollabieren des Hohlprofilquerschnitts während der Kunststoffumspritzung in Verfahrensschritt g) und im Bereich der Kunststoffumspritzung abstützen;
2. Einzusetzende Stützelemente stellen quasi die Negativform für den Umformbereiche der Hohlprofilgrundkörperwandung im Bereich der Kunststoffumspritzung dar;
3. gegebenenfalls dienen einzusetzende Stützelemente als Stützen der Flächen der Hohlprofilgrundkörperwandung, an der oder den Position(en), an denen sich die axialen Enden des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements befinden, und dienen der Abdichtung der Kavität für die Kunststoffumspritzung. Je nach Material der Hohlprofilgrund- körperwandung kann allerdings auch schon die eigene Stützwirkung derselben ausreichend sein.

Das in Verfahrensschritt a) bereitzustellende wenigstens eine Stützelement dient aber auch als Gegenlager zu einer strukturierten Wandung eines Hohlprofilgrundkörpers, die durch den Spritzdruck der Kunststoffkomponente erzeugt wird.
Das wenigstens eine Stützelement ist vorzugsweise exakt an der Stelle im Inneren des Hohlprofilgrundkörpers zu positionieren, an der die Kunststoffumspritzung auf die äußere Wandung des Hohlprofilgrundkörpers im Verfahrensschritt g) erfolgt. Ein einzusetzendes Stützelement ist vorzugsweise derart gestaltet, dass es

1. ein Verformen des Hohlprofilgrundkörpers im Verfahrensschritt d) durch äußere Krafteinwirkung durch ein Spritzgießwerkzeug, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 45° bis 135°, auf die Hohlprofilgrundkörperaußenwandung unter Verringerung des Außenmaßes des Hohlprofilgrundkörpers in Richtung des Spritzgießvorgangs um einen Bereich von 0,5 bis 5% zulässt, so dass ein widerstandsfreies und kollisionsfreies Einlegen des Hohlprofilgrundkörpers ins Spritzgießwerkzeug möglich ist, und das wenigstens eine Stützelement im Hohlprofilgrundkörper fixiert ist;
2. ein Biegen des Hohlprofilgrundkörpers zulässt und den Hohlprofilgrundkörper dabei in der Art unterstützt, dass dieser nicht während des Biegens einknickt;
3. einen ausreichenden Gegendruck während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs aufbaut und eine Abdichtung der Spritzgießkavität gewährleitstet; optional dabei die Flächen der Hohlprofilgrundkörperwandung, an der Position oder an den Positionen, an denen sich die axialen Enden des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements befinden, und die der Abdichtung der Kavität des aufgetragenen Kunststoffs dienen, stützt, sofern nicht die eigene Stützwirkung der Hohlprofilgrundkörperwandung ausreicht;
4. eine ausreichende Stabilität des dünnwandigen Hohlprofilgrundkörpers während des Einspritzvorgangs des Kunststoffauftrags gewährleistet und ein Zusammendrücken des Querschnitts des Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise des rohrförmigen Querschnitts des Hohlprofilgrundkörpers, verhindert (Hauptfunktion);
5. eine derartige Struktur aufweist, dass lokale Deformationen des dünnwandigen Hohlprofilgrundkörpers durch den Spritzdruck der Kunststoffumspritzung mit soliden Stempeln erzielt werden können;
6. eine wie in 5. beschriebene Deformation in der Art generiert wird, dass letztendlich nach der Kunststoffumspritzung eine steife, hochbelastbare und dauerhaft haltbare formschlüssige Verbindung zwischen Hohlprofilgrundkörper und der Kunststoffkomponente der Ausleger entsteht; und
7. ein möglichst geringes Gewicht im Bereich von 1 bis 1000g aufweist und kostengünstig ist, für den Fall, dass das Stützelement nach dem Verfahrensschritt i) im Hohlprofil verbleibt.

Vorzugsweise wird wenigstens ein zylinderförmiges Stützelement innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers positioniert.
Im Falle, dass das Herstellverfahren zusammen mit einem IHU-Verfahren kombiniert wird, sind in Verfahrensschritt a) vorzugsweise Stützelemente mit einem durchgehenden Loch (Hohlzylinder) bereit zu stellen, um den Fluss eines bei einem IHU-Verfahren zum Einsatz kommenden Fluids durch das wenigstens eine Stützelement zu ermöglichen, wobei IHU für Innenhochdruckumformen steht. Siehe:
https://de.wikipedia.org/wiki/Innenhochdruckumformen
Ein einzusetzendes Stützelement kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden und aus verschiedenen Materialien bestehen. Vorzugsweise werden zur Herstellung erfindungsgemäß einzusetzender Stützelemente die Techniken Stanzen, Tiefziehen, Zusammenstecken, Schweißen, Löten, Nieten, Gießen, Druckgießen oder Spritzgießen angewandt.
Vorzugsweise wird zur Herstellung einzusetzender Stützelemente wenigstens ein Material aus der Gruppe Metalle, thermoplastische Kunststoffe, duroplastische Kunststoffe und Keramik eingesetzt. Bevorzugte Metalle sind Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan, Zinn, Wismut, Messing oder andere Legierungen.
Besonders bevorzugt wird das in Verfahrensschritt a) bereitzustellende wenigstens eine Stützelement aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt. Besonders bevorzugt wird als thermoplastischer Kunststoff ein Polyamid oder ein Polyester eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyamid ein Polyamid 6 eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyester ein Polyalkylenterephthalat eingesetzt, besonders bevorzugt Polybutylenterephthalat.
Im Falle, dass das wenigstens eine Stützelement nach der Herstellung des Prüfkörpers aus diesem wieder entfernt werden soll, wird dieses nach Beendigung des Verfahrensschritts i) in einem weiteren Verfahrensschritt j) ausgeschmolzen. Vorzugsweise werden in diesem Fall Stützelemente aus niedrigschmelzenden Metallen oder Legierungen eingesetzt, die das Spritzgießverfahren überstehen, anschließend aber durch höhere Temperaturen, vorzugsweise durch Einwirken von Temperaturen im Bereich von 80 bis 220°C verflüssigt und aus dem Hohlprofilgrundkörper wieder entfernt werden können. Ein zu diesem Zweck einzusetzendes Stützelement besteht aus einem Metall oder einer Legierung, das bzw. die einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunkts des in Verfahrensschritt g) einzusetzenden Kunststoffs aufweist. Vorzugsweise werden Zinn-Wismut Legierungen eingesetzt. Aus DE 4124021 C2 ist eine Zinn-Wismut Legierung mit einem Schmelzpunkt von 138°C bekannt.
Erfindungsgemäß einzusetzende Stützelemente auf Basis thermoplastischer Kunststoffe werden in einem vorgelagerten Schritt oder gleichzeitig bei der Herstellung des Prüfkörpers durch Spritzgießen hergestellt; siehe 2.
In einer Ausführungsform kann das wenigstens eine Stützelement ein Kunststoff-Metall-Hybrid sein, vorzugsweise ein zylinderförmiges Metallrohr mit aufgespritzten Kunststoffrippen. Die Kunststoff-Metall-Hybridtechnologie ist dem Fachmann bekannt beispielsweise aus EP 0 370 342 A1 .
Verfahrensschritt b)
Der im Verfahrensschritt b) einzusetzende Hohlprofilgrundkörper kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden und aus verschiedenen Materialien bestehen. Vorzugsweise wird zur Herstellung des Hohlprofilgrundkörpers wenigstens eine der Techniken Strangpressen, Strangziehen, Extrudieren, Blasformen, Spritzgießen, nahtlos Ziehen, längs Schweißen, spiral Schweißen, Wickeln und Pultrusion eingesetzt. Vorzugsweise wird zur Herstellung erfindungsgemäßer Prüfkörper ein Hohlprofilgrundkörper aus wenigstens einem Material aus der Gruppe Metalle, Legierungen, thermoplastische Kunststoffe und duroplastische Kunststoffe eingesetzt.
Bevorzugte Metalle sind Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan, Zinn, Zink, Blei, Silber, Gold, Messing oder Legierungen. Bevorzugte thermoplastische Kunststoffe sind Polyamide (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC). Besonders bevorzugt wird als thermoplastischer Kunststoff für einen erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörper Polyamid oder Polyester eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyamid ein Polyamid 6 eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyester Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat, insbesondere PBT, eingesetzt. Bevorzugte duroplastische Kunststoffe sind Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane oder ungesättigte Polyesterharze.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der in Verfahrensschritt b) bereitzustellende Hohlprofilgrundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff mit wenigstens einem Füll- oder Verstärkungsstoff hergestellt. Bevorzugt werden als Füll- oder Verstärkungsstoff Glasfasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt werden auf 100 Massenanteile des thermoplastischen Kunststoffs Füll- oder Verstärkungsstoffe in Mengen im Bereich von 0,1 bis 85 Massenanteilen eingesetzt.
Insbesondere bevorzugt werden im Falle Kunststoff basierter Hohlprofilgrundkörper solche aus einem glasfaserverstärkten Polyamid 6 mit 15 bis 60 Massenanteilen Glasfasern auf 100 Massenanteile Polyamid im Spritzgießverfahren hergestellt.
Insbesondere bevorzugt werden im Falle Metall basierter Hohlprofilgrundkörper solche aus Aluminium oder Stahl, insbesondere aus Stahl, eingesetzt.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden Metallrohre in Form eines Hohlzylinders als Hohlprofilgrundkörper für einen Prüfkörper eingesetzt.
Für die Hohlprofilgrundkörperwandung einzusetzendes PA kann aus unterschiedlichen Bausteinen synthetisiert und nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden und im speziellen Anwendungsfall allein eingesetzt oder in dem Fachmann bekannter Weise zu Werkstoffen mit speziell eingestellten Eigenschaftskombinationen ausgerüstet werden. Geeignet sind auch PA-Blends mit Anteilen von anderen Polymeren, bevorzugt von Polyethylen, Polypropylen, ABS, wobei gegebenenfalls ein oder mehrere Kompatibilisatoren eingesetzt werden können. Die Eigenschaften der Polyamide können nach Bedarf durch Zusatz von Elastomeren verbessert werden.
Zur Herstellung von PA sind eine Vielzahl von Verfahrensweisen bekannt, wobei je nach gewünschtem Endprodukt unterschiedliche Monomerbausteine oder verschiedene Kettenregler zur Einstellung eines angestrebten Molekulargewichtes oder auch Monomere mit reaktiven Gruppen für später beabsichtigte Nachbehandlungen eingesetzt werden.
Bevorzugt einzusetzendes PA wird über Polykondensation in der Schmelze hergestellt, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch die hydrolytische Polymerisation von Lactamen als Polykondensation verstanden wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt für die Hohlprofilgrundkörperwandung einzusetzendes PA geht von Diaminen und Dicarbonsäuren und/oder Lactamen mit wenigstens 5 Ringgliedern oder entsprechenden Aminosäuren aus. Als Edukte kommen bevorzugt aliphatische und/oder aromatische Dicarbonsäuren, besonders bevorzugt Adipinsäure, 2,2,4-Trimethyladipinsäure, 2,4,4-Trimethyl-adipinsäure, Azelainsäure, Sebazinsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, aliphatische und/oder aromatische Diamine, besonders bevorzugt Tetramethylendiamin, Hexamethylendiamin, 1,9-Nonandiamin, 2,2,4- und 2,4,4-Trimethyl-hexamethylendiamin, die Isomeren Diamino-dicyclohexylmethane, Diaminodicyclohexylpropane, Bis-aminotnethyl-cyclohexan, Phenylendiamine, Xylylendiamine, Aminocarbonsäuren, insbesondere Aminocapronsäure, oder die entsprechenden Lactame in Betracht. Copolyamide aus mehreren der genannten Monomeren sind eingeschlossen.
Besonders bevorzugt wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung PA aus Lactamen eingesetzt, ganz besonders bevorzugt werden Caprolactame, insbesondere bevorzugt wird ε-Caprolactam eingesetzt.
Auch durch aktivierte anionische Polymerisation hergestelltes PA oder durch aktivierte anionische Polymerisation hergestelltes Copolyamid mit Polycaprolactam als Hauptbestandteil kann erfindungsgemäß eingesetzt werden. Die aktivierte anionische Polymerisation von Lactamen zu Polyamiden wird in technischem Maßstab so durchgeführt, dass man einerseits eine Lösung von Katalysator in Lactam, gegebenenfalls mit Schlagzähmodifikator, und andererseits eine Lösung von Aktivator in Lactam herstellt, wobei üblicherweise beide Lösungen so zusammengesetzt sind, dass ein Zusammengeben im gleichen Verhältnis die gewünschte Gesamtrezeptur ergibt. Weitere Additive können gegebenenfalls der Lactamschmelze zugegeben werden. Die Polymerisation erfolgt durch Vermischen der Einzellösungen zur Gesamtrezeptur bei Temperaturen im Bereich von 80°C bis 200°C, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 140°C. Als Lactame kommen cyclische Lactame mit 6 bis 12 C-Atomen in Frage, bevorzugt Laurinlactam oder ε-Caprolactam, besonders bevorzugt ε-Caprolactam. Der Katalysator ist ein Alkali- oder Erdalkalilactamat, bevorzugt als Lösung in Lactam, besonders bevorzugt Natriumcaprolactamat in ε-Caprotactam. Als Aktivator im erfindungsgemäßen Sinne können N-Acyllactame oder Säurechloride oder, bevorzugt, aliphatische Isocyanate, besonders bevorzugt Oligomere des Hexamethylendiisocyanats eingesetzt werden. Als Aktivator kann sowohl die Reinsubstanz wie auch bevorzugt eine Lösung, bevorzugt in N-Methylpyrrolidon, dienen.
Besonders geeignet sind für die Hohlprofilgrundkörperwandung Polyamide mit einer relativen Lösungsviskosität in m-Kresol im Bereich von 2,0 bis 4,0, bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 3,5, ganz besonders im Bereich von 2,4 bis 3,1. Die Messung der relativen Lösungsviskosität η_rel erfolgt in Anlehnung an EN ISO 307. Das Verhältnis der Auslaufzeit t des in m-Kresol gelösten Polyamids zur Auslaufzeit t (0) des Lösungsmittels m-Kresol bei 25°C ergibt die relative Lösungsviskosität gemäß der Formel η_rel = t/t(0).
Besonders geeignet sind für die Hohlprofilgrundkörperwandung zudem Polyamide mit einer Zahl an Aminoendgruppen im Bereich von 25 bis 90 mmol/kg, bevorzugt im Bereich von 30 bis 70 mmol/kg, ganz besonders im Bereich von 35 bis 60 mmol/kg.
Ganz besonders bevorzugt werden für die Hohlprofilgrundkörperwandung teilkristalline Polyamide oder darauf basierende Compounds als Matrixpolymer eingesetzt. Teilkristalline Polyamide besitzen gemäß DE 10 2011 084 519 A1 eine Schmelzenthalpie im Bereich von 4 bis 25 J/g, gemessen mit der DSC-Methode gemäß ISO 11357 beim 2. Aufheizen und Integration des Schmelzpeaks. Im Gegensatz dazu besitzen amorphe Polyamide eine Schmelzenthalpie von weniger als 4 J/g, gemessen mit der DSC-Methode gemäß ISO 11357 beim 2. Aufheizen und Integration des Schmelzpeaks.
Erfindungsgemäß für die Hohlprofilgrundkörperwandung einzusetzendes PA ist als PA6 [CAS Nr. 25038-54-4] oder als PA66 [CAS Nr. 32131-17-2] bei der Lanxess Deutschland GmbH, Köln, unter der Bezeichnung Durethan® erhältlich.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast wenigstens PE eingesetzt. Polyethylen [CAS Nr. 9002-88-4] ist ein teilkristalliner und unpolarer Thermoplast. Durch die Wahl der Polymerisationsbedingungen lassen sich Molmasse, Molmassenverteilung, mittlere Kettenlänge und Verzweigungsgrad einstellen. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte unterscheidet man vier Haupttypen, wobei die Kurzbezeichnungen nicht immer einheitlich verwendet werden:

• Polyethylen hoher Dichte (high density), PE-HD oder HDPE
• Polyethylen mittlerer Dichte (medium density), PE-MD oder MDPE
• Polyethylen niedriger Dichte (low density), PE-LD oder LDPE
• lineares Polyethylen mit niedriger Dichte (linear, low density), PE-LLD oder LLDPE.

Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt sind HDPE oder LDPE.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast wenigstens PP eingesetzt. PP [CAS Nr. 9003-07-0] ist ein teilkristalliner Thermoplast und gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Polypropylen wird durch Polymerisation des Monomers Propen mit Hilfe von Katalysatoren gewonnen.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast wenigstens PC eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Polycarbonate auf Basis von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan (Bisphenol A), Bis(4-hydroxyphenyl)sulfon (Bisphenol S), Dihydroxydiphenylsulfid, Tetramethylbisphenol A, 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan (BPTMC) oder 1,1,1-Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan (THPE) eingesetzt. Insbesondere bevorzugt wird PC auf Basis von Bisphenol A eingesetzt. Erfindungsgemäß einzusetzendes PC ist beispielsweise unter der Bezeichnung Makrolon® bei der Covestro AG, Leverkusen erhältlich.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast wenigstens PBT [CAS Nr. 24968-12-5] eingesetzt. PBT entsteht durch Polykondensation des Zwischenprodukts Bis(4-hydroxybutyl)terephthalsäureester. Letzterer kann durch Veresterung von 1,4-Butandiol und Terephthalsäure oder durch katalytische Umesterung von Dimethylterephthalat mit 1,4-Butandiol in Gegenwart von Umesterungskatalysatoren wie z. B. Tetraisopropyltitanat hergestellt werden. Besonders bevorzugt einzusetzendes PBT enthält mindestens 80 Mol-%, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, bezogen auf die Dicarbonsäure, Terephthalsäurereste und mindestens 80 Mol-%, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, bezogen auf die Diolkomponente, Butandiol-1,4-glykol Reste. Erfindungsgemäß einzusetzendes PBT ist beispielweise unter der Bezeichnung Pocan® bei der Lanxess Deutschland GmbH, Köln, erhältlich.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast wenigstens PET eingesetzt. PET [CAS Nr. 25038-59-9] ist ein durch Polykondensation hergestelltes thermoplastisches Polymer aus der Familie der Polyester auf Basis der Monomere Ethylenglycol und Terephthalsäure. Besonders bevorzugt einzusetzendes PET enthält mindestens 80 Mol-%, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, bezogen auf die Dicarbonsäure, Terephthalsäurereste und mindestens 80 Mol-%, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, bezogen auf die Diolkomponente, Ethylenglykolreste.
In einer Ausführungsform wird für die Hohlprofilgrundkörperwandung als Thermoplast PVC, [CAS Nr. 9002-86-2] eingesetzt. Als amorpher, thermoplastischer Kunststoff ist PVC hart und spröde und wird erst durch Zugabe von Weichmachern und Stabilisatoren weich, formbar und für technische Anwendungen geeignet. Bekannt ist PVC durch seine Verwendung in Fußbodenbelägen, zu Fensterprofilen, Rohren, für Kabelisolierungen und -ummantelungen sowie für Schallplatten. Erfindungsgemäß bevorzugt wird Hart-PVC (PVC-U) eingesetzt, wie es üblicherweise für Rohre und Profile verwendet wird. Hart-PVC Rohre als Hohlprofilgrundkörper sind beispielsweise bei der ThyssenKrupp Plastics Germany, Köln, erhältlich.
Vorzugsweise werden in Verfahrensschritt b) zylinderförmige Hohlprofilgrundkörper mit rundem Umfang bereitgestellt In alternativer Ausführungsform können in Verfahrensschritt b) zylinderförmige Hohlprofilgrundkörper mit elliptischem Umfang eingesetzt werden, wobei elliptisch eine Abweichung vom idealen runden Umfang im Bereich von +/-1 bis 5% bedeutet.
Verfahrensschritt c)
Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Einbringen und das exakte Positionieren des wenigstens einen Stützelements innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen, an denen im Verfahrensschritt g) die Kunststoffumspritzung erfolgen wird. Insbesondere erfolgt Verfahrensschritt c) mit der Maßgabe, dass der Umfang des Hohlprofilgrundkörpers keine Aufweitung erfährt. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise Stützelemente eingesetzt, deren Außenmaß oder Außenquerschnittsform kongruent dem Innenmaß oder der Innenquerschnittsform des Hohlprofilgrundkörpers entspricht.
Kongruent bedeutet in Verfahrensschritt c), dass die Form und die Abmessungen der nach außen gerichteten Flächen eines Stützelements der Form und den Abmessungen den nach innen gerichteten Flächen eines erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers so weit wie möglich entsprechen. Dadurch haben die Innenfläche eines erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers und die Außenfläche eines erfindungsgemäß einzusetzenden Stützelements vorzugsweise entlang ihrer gemeinsamen Kontaktfläche(n) etwa gleiche Abstände zueinander. Vorzugsweise sind Stützelemente, die auch in ihren Außenkonturen möglichst allseitig der Innenform eines erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers entsprechen und dabei einen etwa kongruenten Aufbau zur Innenwandung des Hohlprofilgrundkörpers aufweisen.
Vorzugsweise betrifft die Kongruenz das Innenmaß oder die Innenquerschnittsform des in b) bereitgestellten wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers.
Etwa gleiche Abstände bedeuten herstellungstoleranzbedingte Abweichungen in der Kongruenz im Bereich von -1,5 bis +3% zwischen dem Außenmaß oder der Außenquerschnittsform eines Stützelements und dem Innenmaß oder der Innenquerschnittsform eines erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers.
Dabei sind verschiedene Vorgehensweisen zur Einbringung des wenigstens einen Stützelements denkbar. Vorzugsweise werden alle Stützelemente gemeinsam oder aber einzeln nacheinander in den Hohlprofilgrundkörper, vorzugsweise ins Metallrohr, eingeschoben oder eingepresst. Nach dem Einführen und Positionieren des wenigstens einen Stützelements im Hohlprofilgrundkörper wird dieses bzw. werden diese in den zuvor vom Fachmann anhand künftiger Lastfälle zu bestimmenden Positionen im Inneren des Hohlprofilgrundkörpers durch eine Umformung des Hohlprofilgrundkörpers in eine schmalere Form im Verfahrensschritt c) fixiert, wozu der Fachmann ein Formverfahren einsetzt.
In einer Ausführungsform wird durch eine zusätzliche lokale Umformung, vorzugsweise durch eine oder mehrere Sicken, die Fixierung des wenigstens einen Stützelements und damit die Fixierung der späteren Kunststoff/Hohlprofil-Verbindung vorgenommen.
Verfahrensschritt d)
Im Verfahrensschritt d) erfolgt ein Verformen des Hohlprofilgrundkörpers durch Einwirken äußerer Kräfte mittels eines separaten Formwerkzeugs auf die Hohlprofilgrundkörperaußenwandung unter Verformung des Hohlprofilgrundkörpers um einen Bereich von 0,5 bis 5% bezogen auf dessen ursprüngliches Außenmaß. Der Außenumfang des Hohlprofilgrundkörpers bleibt bei diesem Vorgang der gleiche, jedoch wird dessen Außendurchmesser in Richtung der Verformung um den angegebenen Bereich von 0,5 bis 5% verformt. Vorzugsweise erfolgt das Verformen des Hohlprofilgrundkörpers im Bereich des wenigstens einen im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements bzw. im Bereich der im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelemente.
Vorzugsweise erfolgt das Verformen durch Einwirken eines separaten Formwerkzeugs auf die Außenwandung des Hohlprofilgrundkörpers außerhalb des Spritzgießwerkzeugs in einem Winkel im Bereich von 45° bis 135° bezogen auf die Einlegerichtung des Hohlprofilgrundkörpers ins Spritzgießwerkzeug. Der Hohlprofilgrundkörper mit wenigstens einem Stützelement wird dabei sowohl elastisch, als auch plastisch so verformt, dass nach der Wegnahme der äußeren Kräfte und nach einer gewissen Rückstellung (= elastischer Bereich) sich eine Verformung im Bereich von 0,5 bis 5% (= plastischer Bereich) einstellt Bei Hohlprofilgrundkörpern aus thermoplastischem Kunststoff kann es erforderlich sein, die plastische Verformung durch ein zusätzliches Erwärmen vor und anschließendes Abkühlen nach der Verformung des Hohlprofilgrundkörpers zu erzielen.
Besonders bevorzugt wirkt das Formwerkzeug in einem Winkel im Bereich von 70° bis 110°, insbesondere in einem Winkel von 90°, auf die Außenwandung des Hohlprofilgrundkörpers ein. Die dabei eintretende Formänderung des Hohlprofilgrundkörpers erfolgt in dem Maße, dass ein widerstandsfreies und kollisionsfreies Einlegen des Hohlprofilgrundkörpers ins Spritzgießwerkzeug möglich ist. Da ein runder, zylinderförmiger Hohlprofilgrundkörper eingesetzt wird, erfolgt eine Formänderung vorzugsweise zu einer Ellipse. Durch die Formänderung werden im Bereich der in Verfahrensschritt g) erfolgenden Kunststoffumspritzung innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers positionierte Stützelemente fixiert. Für die zur Verformung anzuwendende Krafteinwirkung mittels des Formwerkzeugs sind Drücke anzuwenden, die die Wandung des Hohlprofilgrundkörpers deformieren, jedoch die innerhalb desselben positionierten Stützelemente nicht beschädigen oder zerstören. Entscheidend sind deshalb die Auswahl eines geeigneten Materials für die Hohlprofilgrundkörperwandung sowie eine Hohlprofilgrundkörperform, die genügend Dehnung zulässt, bevor das wenigstens eine Stützelement bricht, aber dennoch den Hohlprofilgrundkörper von innen ausreichend unterstützt.
Verfahrensschritt e)
Im Verfahrensschritt e) wird der in Verfahrensschritt d) verformte Hohlprofilgrundkörper in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt. Neben dem gemäß Verfahrensschritt d) geringfügig verformten Hohlprofilgrundkörper ist deshalb ebenso die Gestaltung des Spritzgießwerkzeugs wichtig, damit das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das Einlegen und das Abdichten der Spritzgießkavität, problemlos funktioniert. Das Einlegen des Hohlprofilgrundkörpers in die Spritzgießwerkzeugkavität erfolgt dabei im Gegensatz zum Stand der Technik ohne dass eine Aufweitung desselben erfolgt. Das Abdichten der Fuge zwischen dem Hohlprofilgrundkörper und der Kavität des Spritzgießwerkzeugs, die sich an den mit Kunststoffauftrag versehenen Hohlprofilgrundkörperabschnitt anschließt, erfolgt allein durch Formänderung des Umfangs des Hohlprofilgrundkörpers, wobei der Umfang derselbe bleibt.
Da in Verfahrensschritt b) vorzugsweise ein runder, zylinderförmiger Hohlprofilgrundkörper bereitgestellt wird, erfolgt eine Formänderung vorzugsweise zu einem elliptischen, zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper. Im Falle einer in Verfahrensschritt b) alternativen Bereitstellung von Hohlprofilgrundkörpern mit elliptischem, zylinderförmigen Umfang erfolgt die Formänderung in Verfahrensschritt d) vorzugsweise zu einem runden Umfang.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Umfangs des Hohlprofilgrundkörpers zum inneren Umfang der Spritzgießwerkzeugkavität im Bereich von 1 : 1 bis 1,1 : 1. Es ist für den Fachmann außerordentlich überraschend, dass selbst bei einem toleranzbedingten Übermaß des Umfangs des Hohlprofilgrundkörpers gegenüber dem inneren Umfang der Spritzgießwerkzeugkavität der Spalt bzw. die Fuge zuverlässig verschlossen und damit für den Spritzgießvorgang abgedichtet wird.
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäß einzusetzendes Spritzgießwerkzeug und auch ein erfindungsgemäß einzusetzender Hohlprofilgrundkörper folgende Merkmale auf, damit sich Letzterer mit all seinen Maß- und Formtoleranzen ohne Zwang in das jeweilige Werkzeug einlegen lässt:

A. Das Spritzgießwerkzeug muss so beschaffen sein, das es die Spritzgießwerkzeugkavität zu den Bereichen des Hohlprofilgrundkörpers, in denen keine Kunststoffumspritzung erfolgen wird, beim Schließen des Werkzeugs abdichtet. Dazu sind im Spritzgießwerkzeug an den axialen Enden der Spritzgießkavitäten Kontaktflächen im Werkzeug notwendig, die den Hohlprofilgrundkörper während des Schließens des Werkzeugs in seine ursprüngliche, vor Verfahrensschritt d) vorhandene, Form gegen das in Verfahrensschritt c) eingebrachte Stützelement verformen.
B. In einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen der wenigstens zwei Spritzgießwerkzeughälften zum Hohlprofilgrundkörper im Spritzgießwerkzeug so ausgeführt, dass der Hohlprofilgrundkörper über die in A. beschriebene Verformung hinaus in seine ursprüngliche vor Verfahrensschritt d) vorhandene Form um einen Bereich von 0,01 bis 1% zusätzlich verformt wird.
C. Die in A. und B. genannten Kontaktflächen der wenigstens zwei Werkzeughälften im Spritzgießwerkzeug umfassen den Hohlprofilgrundkörper bei geschlossenem Werkzeug in seinem gesamten Umfang und weisen vorzugsweise eine Breite, d. h. eine Ausdehnung in axialer Richtung des Hohlprofilgrundkörpers gesehen, im Bereich von 1,0 bis 10,0 mm auf.
D. In einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen der wenigstens zwei Spritzgießwerkzeughälften zum Hohlprofilgrundkörper so ausgeführt, dass diese Bereiche im Spritzgießwerkzeug durch gehärtete Einsätze dargestellt werden.
E. Das Spritzgießwerkzeug muss zwischen seinen Kontaktflächen außerhalb der Spritzkavitäten einen Freiraum um den Hohlprofilgrundkörper herum bieten. Vorzugsweise beträgt bzw. liegt dieser Freiraum im Bereich von 1,0 bis 10,0 mm. Die in D. zum Einsatz kommenden gehärteten Einsätze weisen vorzugsweise eine Härte nach Rockwell im Bereich von 50 bis 62 HRC auf. Damit liegt die Härte im Bereich üblicher Biege- und Stanzwerkzeuge. Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Rockwell_(Einheit).

Verfahrensschritt f)
Im Verfahrensschritt f) erfolgt das Schließen des Spritzgießwerkzeugs und ein Verformen des Hohlprofilgrundkörpers in Schließrichtung an den unter Verfahrensschritt e) beschriebenen Kontaktflächen seitlich der Spritzgießkavität/en und somit das Abdichten der Spritzgießkavität/en. Das Verformen in Verfahrensschritt f) erfolgt während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs und gegen das wenigstens eine Stützelement und die in Verfahrensschritt d) geringfügig verformte Form des Hohlprofilgrundkörpers wird wieder in ihre ursprüngliche, vor Verfahrensschritt d) vorhandene, Form zurückgeführt.
Mittels der unter Verfahrensschritt e) beschriebenen Kontaktflächen im Spritzgießwerkzeug wird im Verfahrensschritt f) der Hohlprofilgrundkörper eindeutig in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs gehalten und die für das Spritzgießen vorgesehenen Kavitäten am Hohlprofil werden abgedichtet.
Der Verformungsgrad richtet sich nach der Form des in Verfahrensschritt b) bereitgestellten wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers und nach der Form des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten wenigstens einen Stützelements. Ferner sind Gestalt, Dimensionen und Materialbeschaffenheit von Hohlprofilgrundkörper und Stützelement(e) für die Vorauskalkulation der anzuwendenden Verformungskraft entscheidend, die der Fachmann bei der Auslegung des Prozesses zur Herstellung des Prüfkörpers berücksichtigen muss.
Die Höhe der Schließkraft des Spritzgießwerkzeugs richtet sich nach der projezierten Fläche der Kunststoffumspritzung(en) und den Einspritzdrücken die benötigt werden, um die entsprechenden Kunststoffe im Verfahrensschritt g) einzuspritzen. Die Kraft aus dem Produkt aus projezierter Fläche mal Spritzdruck ist hier absolut dominant. Die Kraft ist ein vielfaches höher als die Kraft die zur Verformung des Hohlprofilgrundkörpers benötigt wird.
Verfahrensschritt g)
Im Verfahrensschritt g) erfolgt die lokale Kunststoffumspritzung mittels einer Schmelze auf die Außenwandung des Hohlprofilgrundkörpers nur im Bereich des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements und Verformung des Hohlprofilgrundkörpers durch den Spritzdruck nur im Bereich des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements. Die Verformung ist eine unmittelbare Folge des angewandten Spritzdrucks. Wie stark die Verformung ausgeprägt ist, hängt von der Höhe des Drucks und der Wanddicke sowie vom Wandmaterial des Hohlprofilgrundkörpers ab, als auch von der Gestalt des wenigstens einen innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers positionierten Stützelements. (Größe der Wandfläche, die nicht vom Stützelement unterstützt ist). Bei mehreren gleichartigen Stützelementen und vorausgesetzt der Druck ist entlang des Hohlprofilgrundkörpers ausreichend hoch und nahezu gleich, kann sich entlang des Hohlprofilgrundkörpers immer die gleich Umformung einstellen. Die Formbegrenzung der Umformung wird durch das Stützelement definiert.
Die in Verfahrensschritt g) anzuwendenden Drücke, Temperaturen und Volumina sind abhängig von den eingesetzten Kunststoffmaterialien und der Geometrie der mit Kunststoff aufzufüllenden Kavität(en), die der Fachmann bei der Auslegung des Prüfkörpers und seines Herstellungsprozesses im Voraus berücksichtigen muss.
Durch das Verformen des Hohlprofilgrundkörpers mittels der in Verfahrensschritt e) beschriebenen Spritzgießwerkzeugkontaktflächen während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs wird eine Abdichtung gegen Austreten der Kunststoffschmelze zwischen der Kunststoffumspritzung und den nicht umspritzten Bereichen des Hohlprofilgrundkörpers in der Spritzgießwerkzeugkavität erzielt In einer Ausführungsform sind die Spritzgießwerkzeugkontaktflächen so ausgeführt, dass diese Bereiche im Werkzeug durch gehärtete Einsätze dargestellt werden.
Die in Verfahrensschritt e) unter Punkt D. beschriebene Ausführung gehärteter Werkzeugeinsätze dient im Verfahrensschritt g) der Reduzierung des Verschleißes der Spritzgießwerkzeugkontaktflächen, da dies die einzigen Kontaktstellen zwischen Spritzgießwerkzeug und Hohlprofilgrundkörper sind und die gehärteten Werkzeugeinsätze eine deutlich höhere Härte besitzen, als der Werkstoff des Hohlprofilgrundkörpers.
Während der Umspritzung im Verfahrensschritt g) baut das wenigstens eine Stützelement innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers einen ausreichenden Gegendruck zu dem durch die Spritzgießwerkzeugkontaktflächen erzeugten Druck auf die äußere Wandung des Hohlprofilgrundkörpers auf und dichtet damit die Spritzgießwerkzeugkontaktflächen bzw. die Kavität gegen eventuell austretende Kunststoffmasse ab.
Spritzgießen
Nach DIN 8580 werden die Fertigungsverfahren in 6 Hauptgruppen unterteilt Das Spritzgießen ist der Hauptgruppe 2, dem Urformen zugeordnet. Es eignet sich insbesondere für Massenartikel, da der Rohstoff in meist einem Arbeitsgang in ein Fertigteil umgewandelt wird. Die Nacharbeit ist gering bzw. kann ganz entfallen und selbst komplizierte Formen und Konturen können in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Das Spritzgießen als Fertigungsverfahren in der Kunststoffverarbeitung ist dem Fachmann prinzipiell bekannt; siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Spritzgie%C3%9Fen.
Beim Spritzgießen wird mit einer Spritzgießmaschine der zu verarbeitende Kunststoff verflüssigt (plastifiziert) und in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt. Im Werkzeug geht der Werkstoff durch Abkühlung oder durch eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeugs als Fertigteil entnommen. Der Hohlraum, die Kavität, des Werkzeugs bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des erstarrten Kunststoffauftrags im Verbundbauteil. Es sind heute durch Spritzgießen Erzeugnisse im Gewichtsbereich von wenigen zehntel Gramm bis zu einer Größenordnung von 150 kg herstellbar.
Das Spritzgießen, insbesondere erweiterte spezielle Verfahren, erlaubt eine nahezu freie Wahl von Form und Oberflächenstruktur wie z. B. glatte Oberflächen, Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche, Muster, Gravuren und Farbeffekte. Zusammen mit der Wirtschaftlichkeit macht dies das Spritzgießen zum weitverbreitetsten Verfahren zur Massenherstellung von Kunststoffteilen in praktisch allen Bereichen.
Eine Spritzgießapparatur umfasst wenigstens folgende Bauteile: 1. Schnecke 2. Einfülltrichter 3. Granulat4. Plastifizierzylinder 5. Heizelemente 6. Werkzeug.
Innerhalb einer Spritzgießapparatur erfolgen die Schritte 1. Plastifizieren und Dosieren, 2. Einspritzen, 3. Nachdrücken und Abkühlen, und 4. Entformen.
Plastifizieren und Dosieren
Der thermoplastische Kunststoff rieselt in Form eines Granulats in die Gänge einer rotierenden Schnecke ein. Das Granulat wird in Richtung Schneckenspitze gefördert und durch die Wärme des Zylinders und die Friktionswärme, die beim Zerteilen und Scheren des Materials entsteht, erwärmt und aufgeschmolzen. Die Schmelze sammelt sich vor der Schneckenspitze, da die Austrittsdüse zunächst geschlossen ist. Da die Schnecke axial beweglich ist, weicht sie durch den Druck zurück, auch schraubt sich ähnlich einem Korkenzieher aus der Masse heraus. Die Rückwärtsbewegung wird durch einen Hydraulikzylinder oder elektrisch gebremst, so dass sich in der Schmelze ein Staudruck aufbaut. Dieser Staudruck in Verbindung mit der Schneckenrotation verdichtet und homogenisiert den als Spritzgießmaterial zu verspritzenden Kunststoff.
Die Schneckenposition wird gemessen und sobald sich eine für das Werkstückvolumen ausreichende Spritzgießmaterialmenge angesammelt hat, ist der Dosiervorgang beendet und die Schneckenrotation wird eingestellt. Ebenso wird die Schnecke aktiv oder passiv entlastet, so dass die Schmelze dekomprimiert wird.
Einspritzen
In der Einspritzphase wird die Spritzeinheit an die Schließeinheit gefahren, mit der Austrittsdüse angedrückt und die Schnecke rückseitig unter Druck gesetzt. Dabei wird die Schmelze unter hohem Druck, vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 500 bis 2000bar, durch die geöffnete Austrittsdüse und den Anguss bzw. das Angusssystem des Spritzgießwerkzeugs in den formgebenden Hohlraum gedrückt. Eine Rückstromsperre verhindert dabei ein Zurückströmen der Schmelze in Richtung Einfülltrichter.
Während des Einspritzens wird versucht, ein möglichst laminares Fließverhalten der Schmelze zu erreichen. Das heißt, die Schmelze wird im Werkzeug dort, wo sie die gekühlte Werkzeugwand berührt, sofort abgekühlt und bleibt erstarrt „kleben“. Die nachrückende Schmelze wird durch den dadurch verjüngten Schmelzkanal mit noch höherer Geschwindigkeit und noch mehr Scherdeformation gedrückt und vorne an der Schmelzfront zum Rand hin dehndeformiert. Es überlagert sich Wärmeabfuhr über die Werkzeugwand und Wärmezufuhr durch Schererwärmung. Die hohe Einspritzgeschwindigkeit erzeugt in der Schmelze eine Schergeschwindigkeit, welche die Schmelze leichter fließen lässt. Ein schnelles Einspritzen ist nicht anzustreben, denn durch die hohe Schergeschwindigkeit wird auch ein Molekülabbau innerhalb des Kunststoffs verstärkt. Auch die Oberfläche des Erzeugnisses, dessen Aussehen und schließlich der Orientierungszustand der Kunststoffmoleküle werden durch die Einspritzphase beeinflusst.
Nachdrücken und Abkühlen
Da das Werkzeug kälter ist als die Kunststoffmasse, vorzugsweise weist das Werkzeug eine Temperatur im Bereich von 20 bis 120 °C auf und die Kunststoffmasse weist vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 200 bis 300 °C, kühlt die Schmelze in der Form ab und erstarrt bei Erreichen des Erstarrungspunkts des jeweils eingesetzten Kunststoffs, vorzugsweise des Thermoplasten bzw. des Thermoplast basierten Compounds. Das Abkühlen geht einher mit einer Volumenschwindung, die sich nachteilig auf Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität des zu fertigenden Erzeugnisses, in der vorliegenden Erfindung des im Verfahrensschritt g) zu fertigenden formschlüssig verbundenen Kunststoffelements, auswirkt. Um diese Schwindung teilweise zu kompensieren, wird auch nach Füllung der Form ein reduzierter Druck aufrechterhalten, damit Kunststoffmaterial nachfließen und die Schwindung ausgleichen kann. Dieses Nachdrücken kann solange erfolgen, bis der Anguss erstarrt ist.
Nach Beendigung des Nachdrückens kann die Austrittsdüse geschlossen werden und in der Spritzeinheit bereits der Plastifizier- und Dosiervorgang für das nächste Formteil beginnen. Das Kunststoffmaterial in der Form kühlt in der Restkühlzeit weiter ab, bis auch die Seele, der flüssige Kern des Werkstücks, erstarrt ist und eine zum Entformen hinreichende Steifigkeit erreicht ist. Dieser Vorgang wird auch als Solidifikation bezeichnet und erfolgt erfindungsgemäß in Verfahrensschritt h).
Die Spritzeinheit kann dann von der Schließeinheit wegbewegt werden, da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen Wärmeübergang von der wärmeren Austrittsdüse auf den kälteren Anguss zu verhindern.
Entformen
Zum Entformen im erfindungsgemäßen Verfahrensschritt i) öffnet sich die Auswerferseite der Schließeinheit und das Werkstück wird durch in die Kavität hineindringende Stifte ausgeworfen und fällt entweder herunter (Schüttgut) oder wird durch Handlinggeräte aus dem Werkzeug entnommen und geordnet abgelegt oder gleich einer Weiterverarbeitung zugeführt.
Der Anguss muss entweder durch separate Bearbeitung entfernt werden oder wird beim Entformen automatisch abgetrennt. Auch angussloses Spritzgießen ist mit Heißkanalsystemen, bei denen das Angusssystem ständig über der Erstarrungstemperatur des eingesetzten Kunststoffs, vorzugsweise Thermoplasten, Duroplasten oder Compounds, bleibt und das enthaltene Material somit für den nächsten Schuss verwendet werden kann, möglich.
Kunststoffe
Für die Kunststoffumspritzung im Verfahrensschritt g) werden vorzugsweise Thermoplasten oder Duroplasten, besonders bevorzugt Thermoplasten, eingesetzt.
Bevorzugte thermoplastische Kunststoffe sind Polyamide (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC). Besonders bevorzugt wird als thermoplastischer Kunststoff für einen erfindungsgemäß einzusetzenden Hohlprofilgrundkörper Polyamid oder Polyester eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyamid ein Polyamid 6 eingesetzt. Bevorzugt wird als Polyester Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat, insbesondere PBT, eingesetzt. Bevorzugte duroplastische Kunststoffe sind Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane oder ungesättigte Polyesterharze.
Vorzugsweise wird der Thermoplast oder Duroplast in Form eines Compounds eingesetzt. Compoundierung ist ein Begriff aus der Kunststofftechnik, welcher die Aufbereitung von Kunststoffen durch Beimischung von Zuschlagstoffen, vorzugsweise Füllstoffe, Additive usw., zur Erzielung erwünschter Eigenschaftsprofile beschreibt. Die Compoundierung erfolgt vorzugsweise in Extrudern, besonders bevorzugt in gleichläufigen Doppelschneckenextrudem, gegenläufigen Doppelschneckenextrudern, sowie durch Planetwalzenextruder und Co-Kneter und umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Mischen, Entgasen und Druckaufbau; siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Compoundierung. Mit Compound bezeichnet man deshalb einen mit Füllstoffen oder Additiven versetzten Thermoplasten oder Duroplasten.
Besonders bevorzugt enthält die Kunststoffumspritzung einen thermoplastischen Kunststoff mit wenigstens einem Füll- oder Verstärkungsstoff. Bevorzugt werden als Füll- oder Verstärkungsstoff Glasfasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt werden auf 100 Massenanteile des thermoplastischen Kunststoffs Füll- oder Verstärkungsstoffe in Mengen im Bereich von 0,1 bis 85 Massenanteilen eingesetzt. Insbesondere bevorzugt werden auf 100 Massenanteile des thermoplastischen Kunststoffs Füll- oder Verstärkungsstoffe in Mengen im Bereich von 15 bis 60 Massenanteilen eingesetzt. Insbesondere bevorzugt wird glasfaserverstärktes Polyamid 6 mit 15 bis 60 Massenanteilen Glasfasern auf 100 Massenanteile Polyamid im Spritzgießverfahren eingesetzt.
Bevorzugte Duroplaste sind Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane oder ungesättigte Polyesterharze. Besonders bevorzugt werden duroplastische Kunststoffe mit wenigstens einem Füll- oder Verstärkungsstoff eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden in diesem Fall als Füll- oder Verstärkungsstoff Glasfasern oder Kohlefasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt werden auf 100 Massenanteile des duroplastischen Kunststoffs 10 bis 50 Massenanteile Glasfasern oder Kohlefasern als Füll- oder Verstärkungsstoff eingesetzt.
Je nach räumlicher Ausgestaltung des wenigstens einen, innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers positionierten Stützelements, je nach Dimension der Wandstärke des Hohlprofilgrundkörpers und je nach Wahl des Materials des Hohlprofilgrundkörpers können in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Verfahrensschritt g) durch den Spritzdruck des Spritzgießvorgangs lokale Verformungen, vorzugsweise Sicken, an der dünnen Wandung des Hohlprofilgrundkörpers entstehen. Diese Verformungen oder Sicken können einen zusätzlichen positiven Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung von Hohlprofilgrundkörper mit der Kunststoffumspritzung haben.
Der im Verfahrensschritt g) am Hohlprofilgrundkörper erzielte Verformungsgrad lokaler Verformungen, vorzugsweise in Form von Sicken, an der Hohlprofilgrundkörperwandung ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Bruchdehnung des jeweiligen Materials des Hohlprofilgrundkörpers begrenzt. Wird diese überschritten kann es zum Aufreißen der Hohlprofilgrundkörperwandung kommen. Begrenzt werden kann die Dehnung jedoch durch eine Regelung des Spritzdrucks, oder aber durch die Gestalt der Negativform des Stützelements, im Sinne einer Weg-/Verformungsbegrenzung, die eine zu große Verformung, d. h. Dehnung des Materials nicht zulässt bzw. begrenzt. Ebenso ist die Verformung von der Materialzusammensetzung und der Stärke der Hohlprofilgrundkörperwandung abhängig.
Je größer die Verformung der Hohlprofilgrundkörperwandung ausgeprägt ist, desto mehr greifen die wenigstens zwei Verbindungspartner - Hohlprofilgrundkörper und Kunststoffumspritzung - ineinander, und umso mehr gehen sie eine unlösbare formschlüssige Verbindung ein, die sich nur durch Zerstören voneinander wieder trennen lässt. Ziel dieses Verfahrensschritts g) sollte es daher sein, die Dehnfähigkeit des jeweiligen Materials der Hohlprofilgrundkörperwandung möglichst maximal auszunutzen, aber die Bruchdehnung nicht zu überschreiten.
Im Falle thermoplastischen Kunststoffs als Material des Hohlprofilgrundkörpers bzw. der Hohlprofilgrundkörperwandung kann ein lokales Aufheizen des Hohlprofilgrundkörpers wenigstens genau an der Position bzw. an den Positionen stattfinden, wo die Kunststoffumspritzung erfolgt. Durch diese Maßnahme lässt sich die Bruchdehnung des Materials erhöhen.
Verfahrensschritt h)
Im Verfahrensschritt h) erfolgt das Abkühlen der Kunststoffumspritzung, das auch als Solidifikation bezeichnet wird. Der Begriff der Solidifikation beschreibt das Erstarren des in Verfahrensschritt g) eingesetzten schmelzflüssigen Kunststoffs durch Abkühlen bzw. durch chemische Vernetzung zu einem Festkörper. Durch gleichzeitige Formgebung erhalten die Ausleger ihre jeweilige Form und ihr jeweiliges Aussehen.
Erfindungsgemäß entsteht nach dem Erstarren der Kunststoffschmelze auf der äußeren Oberfläche des Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise einem Metallrohr, ein geschlossener Kunststöffring mit einer strukturierten Innenfläche, die exakt das positive Abbild der Sickenstruktur der Außenwandung des Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise des Metallrohrs, darstellt.
Eine schubsteife, schubfeste, hochbelastbare und formschlüssige Verbindung rund um die äußere Wandung des Hohlprofilgrundkörpers, vorzugsweise um die äußere Wandung eines Metallrohrs, ist entstanden.
Weitere Details zum Verfahrensschritt h) wurden bereits oben unter Nachdrücken und Abkühlen beschrieben.
Verfahrensschritt i)
Im Verfahrensschritt i) wird der fertige Prüfkörper aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen, nachdem mit Erstarren der Kunststoffschmelze der Druck in der Kunststoffauftragung nicht mehr vorhanden ist und die Schließkraft wird mit dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs abgebaut wurde. Weitere Details wurden bereits oben unter Entformen beschrieben.
In alternativer Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer Prüfkörper erhältlich durch

a1) Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs mit wenigstens einer zu öffnenden Kavität und einem Werkzeugmaß A in Schließrichtung und einem Werkzeugmaß B rechtwinklig zur Schließrichtung,
b1) Bereitstellen wenigstens eines zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörpers mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Wanddicke im Bereich von 5:1 bis 300:1, dessen Außenmaß C um einen Bereich von 0,1 bis 5% größer ist als das Werkzeugmaß A, und dessen Außenmaß D um einen Bereich von 0,1 bis 5% kleiner ist, als das Werkzeugmaß B und die Angaben zu C und D sich auf 90° in Richtung zur Längsachse des Hohlprofilgrundkörpers gesehen beziehen,
c1) Bereitstellen wenigstens eines Stützelements, dessen Außenmaß oder Außenquerschnittsform kongruent dem Innenmaß oder der Innenquerschnittsform des Hohlprofilgrundkörpers entspricht,
d1) Einbringen und Positionieren des wenigstens einen Stützelements innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen, an denen außerhalb des Hohlprofilgrundkörpers der Auftrag von Kunststoff erfolgen wird, sowie Fixieren desselben,
e1) Einlegen des wenigstens ein Stützelement enthaltenden Hohlprofilgrundkörpers in die wenigstens eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs,
f1) Schließen der wenigstens einen Kavität des Spritzgießwerkzeugs und Verformen des Hohlprofilgrundkörpers in Schließrichtung der wenigstens einen Kavität,
g1) Umspritzen des Hohlprofilgrundkörpers mit Kunststoff in Form einer Schmelze und Verformung des Hohlprofilgrundkörpers unter Ausbildung der beiden Ausleger,
h1) Abkühlen der Kunststoffschmelze (Solidifikation), und
i1) Entnehmen des fertigen Prüfkörpers aus dem Spritzgießwerkzeug.

Hierbei entsprechen die Verfahrensschritte e1), h1) und i1) den Verfahrensschritten e), h) und i) Ebenso entsprechen die in dieser Verfahrensvariante einzusetzenden Materialien des Hohlprofilgrundkörpers, des wenigstens einen Stützelements, der Kunststoffumspritzung und des Spritzgießwerkzeugs den bereits dazu oben beschriebenen Merkmalen.
Verfahrensschritt a1)
Verfahrensschritt a1) betrifft das Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs mit wenigstens einer zu öffnenden Kavität und einem Werkzeugmaß A in Schließrichtung und einem Werkzeugmaß B rechtwinklig zur Schließrichtung des Werkzeugs. Die Schließrichtung bezieht sich erfindungsgemäß auf das einzusetzende Spritzgießwerkzeug. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäß einzusetzendes Spritzgießwerkzeug zwei Werkzeughälften auf. Je nach Ausgestaltung des zu fertigenden Prüfkörpers können aber die Werkzeughälften wiederum aus mehreren Segmenten bestehen. Der Fachmann wird die Auslegung des einzusetzenden Spritzgießwerkzeugs entsprechend dem zu fertigenden Prüfkörper anpassen. Eine Zusammenfassung erfindungsgemäß einzusetzender Spritzgießwerkzeuge sowie zu Herstellern derselben findet sich u.a. in W. Michaeli, G. Menges, P. Mohren, Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen, 5. Völlig überarbeitete Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 1999 (englische Ausgabe 2001).
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäß einzusetzendes Spritzgießwerkzeug die bereits oben beschriebenen Merkmale auf.
Verfahrensschritt b1)
Im Verfahrensschritt b1) wird wenigstens ein Hohlprofilgrundkörper mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Wanddicke im Bereich von 5:1 bis 300:1, dessen Hohlprofilgrundkörperaußenmaß C um einen Bereich von 0,1 bis 5% größer ist, als das Werkzeugmaß A der Kavität und dessen Hohlprofilgrundkörperaußenmaß D um einen Bereich von 0,1 bis 5% kleiner ist, als das Werkzeugmaß B der Kavität, bereitgestellt. Erfindungsgemäß beziehen sich die Angaben zu den Hohlprofilgrundkörper-Außenmaßen C und D des in b1) bereitzustellenden Hohlprofilgrundkörpers auf 90° in Richtung zur Längsachse des Hohlprofilgrundkörpers gesehen.
Vorzugsweise betreffen die Angaben zu den Hohlprofilgrundkörperaußenmaßen C und D auf die in f1) genannte Position bzw. Positionen der lokalen Verformung am im Verfahrensschritt b1) bereitzustellenden Hohlprofilgrundkörper, an denen sich die axialen Enden des wenigstens einen, in Verfahrensschritt c1) bereitzustellenden und in Verfahrensschritt d1) in den Hohlprofilgrundkörper einzuführenden und zu positionierenden Stützelements, befinden.
Verfahrensschritt c1)
Verfahrensschritt c1) betrifft das Bereitstellen wenigstens eines Stützelements, dessen Außenmaß oder Außenquerschnittsform auch kongruent dem Innenmaß oder der Innenquerschnittsform des Hohlprofilgrundkörpers entspricht Insbesondere erfolgt Verfahrensschritt c1) mit der Maßgabe, dass der Umfang des Hohlprofilgrundkörpers keine Aufweitung erfährt.
Verfahrensschritt d1)
Im Verfahrensschritt d1) erfolgt das Einbringen und das exakte Positionieren eines in Verfahrensschritt c1) bereitgestellten Stützelements innerhalb des wenigstens einen Hohlprofilgrundkörpers an den Positionen, an denen im Verfahrensschritt g1) der Auftrag von Kunststoff erfolgen wird.
Dabei sind verschiedene Vorgehensweisen zur Einbringung eines Stützelements denkbar. Im Falle des Einsatzes mehrerer Stützelemente werden diese vorzugsweise gemeinsam oder aber einzeln nacheinander - in den in Verfahrensschritt b1) bereitgestellten Hohlprofilgrundkörper, vorzugsweise einem Metallrohr, eingeschoben oder eingepresst.
In einer Ausführungsform wird durch eine zusätzliche lokale Umformung, vorzugsweise durch eine oder mehrere Sicken, die Fixierung eines Stützelements und damit die Fixierung der späteren Kunststoff/Hohlprofil-Verbindung vorgenommen.
Verfahrensschritt e1) siehe unter Verfahrensschritt e)
Verfahrensschritt f1)
Im Verfahrensschritt f1) erfolgt das Schließen des Spritzgießwerkzeugs und das Verformen des Hohlprofilgrundkörpers in Schließrichtung der wenigstens einen Spritzgießwerkzeugkavität. Vorzugsweise erfolgt das dabei eintretende Verformen des Hohlprofilgrundkörpers in Schließrichtung der wenigstens einen Kavität lokal an der oder den Position(en), an denen sich die axialen Enden wenigstens eines Stützelements befinden. Besonders bevorzugt erfolgt das Verformen zudem an den unter Verfahrensschritt e1) beschriebenen Kontaktflächen seitlich der Spritzgießkavität/en, wodurch die Spritzgießkavität/en abgedichtet werden.
Während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs erfolgt ein leichtes Verformen des Hohlprofilgrundkörpers gegen das wenigstens eine Stützelement und der Hohlprofilgrundkörper wird in die vom Spritzgießwerkzeug vorgegebene Form gebracht.
Mittels der unter Verfahrensschritt e1) beschriebenen Kontaktflächen im Spritzgießwerkzeug wird im Verfahrensschritt f1) der Hohlprofilgrundkörper eindeutig in dessen Kavität gehalten und die für das Spritzgießen vorgesehenen Kavitäten am Hohlprofilgrundkörper werden abgedichtet.
Für das Schließen des Spritzgießwerkzeugs wird eine Verformungskraft benötigt, die den Hohlprofilgrundkörper in eine durch die Ausgestaltung der Kavität des Spritzgießwerkzeugs definierte neue Form presst, sowie eine Schließkraft für den Spritzgießprozess, um die wenigstens eine Kavität abzudichten. Die Höhe der dazu erforderlichen Verformungskraft richtet sich nach der Form eines in Verfahrensschritt b1) bereitgestellten Hohlprofilgrundkörpers und nach der Form der bzw. des in Verfahrensschritt c1) bereitgestellten Stützelemente(s). Ferner sind Gestalt, Dimensionen und Materialbeschaffenheit von Hohlprofilgrundkörper und Stützelement(e) für die Vorauskalkulation der anzuwendenden Verformungskraft entscheidend, die der Fachmann bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Prozesses berücksichtigen muss.
Die Höhe der Schließkraft des Spritzgießwerkzeugs richtet sich nach der projizierten Fläche der Kunststoffumspritzung und den Einspritzdrücken die benötigt werden, um die entsprechenden Kunststoffe im Verfahrensschritt g1) einzuspritzen.
In einer Ausführungsform liegt die anzuwendende Verformungskraft unterhalb der Schließkraft des Spritzgießverfahrens.
Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt das Verformen in Verfahrensschritt f1) bis folgendes gilt: Hohlprofilgrundkörperaußenmaß C = Werkzeugmaß A. Dieses Maß stellt sich immer bei vollkommen geschlossenen Werkzeug ein. Hierbei entstehen keine Toleranzen.
Besonders bevorzugt erfolgt das Verformen in Verfahrensschritt f1) bis folgendes gilt: Hohlprofilgrundkörperaußenmaß C = Werkzeugmaß A und Hohlprofilgrundkörperaußenmaß D = Werkzeugmaß B. In diesem Fall ist die Kavität zum Hohlprofilgrundkörper umfänglich abgedichtet.
Tritt der Fall ein, dass das Hohlprofilgrundkörperaußenmaß C oder D zu klein ist und die Verformung durch das Werkzeug nicht ausreicht, um als Ergebnis Hohlprofilgrundkörperaußenmaß D = Werkzeugmaß B zu erreichen, so verbliebe ein Spalt. In diesem Fall müssen die Toleranzen des Hohlprofilgrundkörpers so gewählt werden, das dieser Fall nicht eintrifft.
Ist das Hohlprofilgrundkörperaußenmaß A zu groß gewählt, dann erreicht das Hohlprofilgrundkörperaußenmaß D das Werkzeugmaß B bevor das Werkzeug vollständig geschlossen ist, was zu einer tangentialen Stauchung der Hohlprofilgrundkörperwandung führt. Auch in diesem Fall sind deshalb die Toleranzen des Hohlprofilgrundkörpers so zu wählen, dass ein Stauchen maximal bis zur Druckdehnung des Materials eintritt, aber kein Ausweichen der Hohlprofilgrundkörperwandung in Hohlräume zwischen die Trennflächen des Spritzgießwerkzeugs eintritt.
Verfahrensschritt g1)
Im Verfahrensschritt g1) erfolgt das Umspritzen des Hohlprofilgrundkörpers mit Kunststoff in Form einer Schmelze und Verformung des Hohlprofilgrundkörpers unter Ausbildung der beiden Ausleger. Durch den dabei angewandten Spritzdruck erfolgt eine Verformung des Hohlprofilgrundkörpers. Vorzugsweise erfolgt die Kunststoffumspritzung nur im Bereich, d. h. lokal, des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements und die Verformung des Hohlprofilgrundkörpers durch den Spritzdruck nur im Bereich des wenigstens einen, im Hohlprofilgrundkörper positionierten Stützelements. Vorzugsweise wird dieser Bereich durch die Ausmaße eines Stützelements bestimmt zuzüglich eines Bereichs von bis zu 1 cm darüber hinaus. Die Verformung ist eine unmittelbare Folge des für die Kunststoffumspritzung anzuwendenden Spritzdrucks. Wie stark die Verformung ausgeprägt ist, hängt von der Höhe des Drucks und der Wanddicke sowie vom Wandmaterial des Hohlprofilgrundkörpers ab, als auch von der Gestalt eines innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers positionierten Stützelements bzw. dem Ausmaß und der Größe der Wandfläche, die nicht vom Stützelement unterstützt ist. Bei mehreren gleichartigen Stützelementen und vorausgesetzt der Druck ist entlang des Hohlprofilgrundkörpers ausreichend hoch und nahezu gleich, kann sich entlang des Hohlprofilgrundkörpers immer die gleiche Umformung einstellen. Die Formbegrenzung der Umformung wird durch das/die Stützelement(e) definiert.
Die in Verfahrensschritt g1) anzuwendenden Drücke, Temperaturen und Volumina der Kunststoffumspritzung sind zudem abhängig von den einzusetzenden Kunststoffmaterialien und der Geometrie der mit Kunststoff aufzufüllenden Kavität(en), die der Fachmann bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Prüfkörpers im Voraus berücksichtigen muss.
Durch das Verformen des Hohlprofilgrundkörpers, insbesondere mittels der in Verfahrensschritt e) beschriebenen Spritzgießwerkzeugkontaktflächen und während des Schließens des Spritzgießwerkzeugs, wird eine Abdichtung gegen Austreten des Kunststoffs zwischen Kunststoffumspritzung und nicht mit Kunststoffumspritzung beaufschlagten Bereichen des Hohlprofilgrundkörpers in der Spritzgießwerkzeugkavität erzielt. In einer Ausführungsform sind die Werkzeugkontaktflächen so ausgeführt, dass diese Bereiche im Werkzeug durch gehärtete Einsätze dargestellt werden.
Während des Vorgangs der lokalen Kunststoffumspritzung baut das wenigstens eine Stützelement innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers einen ausreichenden Gegendruck zu dem durch die Spritzgießwerkzeugkontaktflächen auf die äußere Wandung des Hohlprofilgrundkörpers erzeugten Druck auf und dichtet damit die Spritzgießwerkzeugkontaktflächen bzw. die Kavität gegen eventuell austretende Kunststoffmasse ab.
Verfahrensschritt h1) siehe unter Verfahrensschritt h)
Verfahrensschritt i1) siehe unter Verfahrensschritt i)
Vorzugsweise betrifft die Erfindung einen Prüfkörper gemäß 1 enthaltend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper aus Metall und wenigstens zwei, vorzugsweise zwei Ausleger, wobei der Hohlprofilgrundkörper wenigstens drei innerhalb des Hohlprofilgrundkörpers positionierte Stützelemente aufweist, die an den Stellen positioniert sind, an denen die Kunststoffelemente bzw. Ausleger den Hohlprofilgrundkörper vollständig umfassen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Untersuchung der Stoff- und/oder Verbundeigenschaften von Werkstoffen, insbesondere von Polymeren oder Metall, auf die Verbundhaftung mit einem zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper, unter Verwendung eines vorstehend beschriebenen Prüfkörpers, insbesondere erhältlich nach den oben beschriebenen Verfahren aus den oben beschriebenen Werkstoffen, indem

(a) der Prüfkörper, insbesondere in Prüfkörper gemäß 1, unterhalb des zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörpers in einer Aufnahme fixiert wird, und
(b) auf die Ausleger Zug und/oder Druck rotatorisch um die Mittelachse, als auch achsparallel zur Mittelachse des Hohlprofilgrundkörpers beaufschlagt wird, bis ein Versagen des Prüfkörpers eintritt,

Der Prüfkörper kann alternativ entweder statisch oder dynamisch belastet werden. Bei einer dynamischen Belastung erfolgt die Beaufschlagung mit einem sich zu vorgegebenen Intervallen ändernden Zug bzw. Druckkraft.
Zusätzlich kann der Temperatureinfluss als auch der Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf den Prüfkörper untersucht werden, indem man den Prüfkörper in einer Klimakammer entsprechenden Temperaturen bzw. Luftfeuchtigkeit aussetzt. So kann z.B. der Einsatz des Prüfkörpers bei niedrigen Temperaturen dazu führen, dass die Materialien und damit der Verbund spröde wird und dadurch schneller versagt. Ebenso ist es insbesondere bei thermoplastischen Polymeren möglich, dass bei hohen Temperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit ein Versagen der Ausleger oder des Verbunds eintritt, da wenigstens ein eingesetztes Material zu stark erweicht.
Ferner ist es möglich die Auswirkungen durch verschiedene geometrische Ausgestaltungen des zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörpers zu untersuchen, indem Hohlprofilgrundkörper mit trigonaler, tetragonaler, hexagonaler bis hin zu octagonaler Ausführungsform, mit unterschiedlichen Längen, mit unterschiedlichen Wandstärken oder mit unterschiedlichen Durchmessern geprüft werden. Insbesondere ist es z.B. bevorzugt, Prüfkörper mit variablen Gesamtlängen einzusetzen und zu testen.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines erfindungsgemäßen zur Untersuchung von Lastfällen und /oder Stoffeigenschaften von Polymeren, vorzugsweise in der Interaktion mit einem Hohlprofilgrundkörper, insbesondere als Demonstrator für einen Instrumententafelquerträger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2324334 B1 [0003]
DE 4124021 C2 [0065]
EP 0370342 A1 [0067]
DE 102011084519 A1 [0082]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 3167 [0003]
DIN EN ISO 527-2 [0003]
DIN EN ISO 10724-1 [0003]
ISO 11357 [0082]
W. Michaeli, G. Menges, P. Mohren, Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen, 5. Völlig überarbeitete Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 1999 [0144]

Claims

Prüfkörper umfassend wenigstens einen zylinderförmigen Hohlprofilgrundkörper, der von zwei Auslegern in einer gegenüber liegenden Anordnung von 180°, mit Abweichungen im Bereich von +/- 10%, ringförmig umformt wird.
Prüfkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Prüfkörper einzusetzender Hohlprofilgrundkörper ein Durchmesser/Wanddickenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 300:1 aufweist.
Prüfkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Länge im Bereich von 10 bis 200 cm aufweist, wobei als Länge der Bereich von einem Ende des ersten Auslegers bis zum Ende des zweiten Auslegers über den Hohlprofilgrundkörper hinweg gemessen, bezeichnet wird.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzusetzender Hohlprofilgrundkörper einen runden Umfang im Bereich von 2 bis 10 cm aufweist, wobei Abweichungen vom runden Umfang im Bereich von +/-3% liegen im Bereich von Fertigungstoleranzen liegen.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzusetzender Hohlprofilgrundkörper eine Wanddicke im Bereich von 0,1 bis 10 mm aufweist.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzusetzender Hohlprofilgrundkörper eine Länge im Bereich von 10 bis 250 cm aufweist.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzusetzender Hohlprofilgrundkörper wenigstens zwei Öffnungen, jeweils eine an den Stirnseiten, aufweist.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Hohlprofilgrundkörper ein Vollzylinder eingesetzt wird.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzusetzender Hohlprofilgrundkörper vollständig aus Metall, einer Metalllegierung oder aus Kunststoff besteht.
Prüfkörper gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalle Eisen, Aluminium, Magnesium oder Titan und als Legierungen Stahl oder Aluminiumlegierungen eingesetzt werden.
Prüfkörper gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Hohlprofilgrundkörper ein Kunststoff aus der Gruppe Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM) und Polystyrol (PS), beliebige Mischungen der vorgenannten Kunststoffe sowie Mischungen der vorgenannten Kunststoffe mit wenigstens einem Füll- und/oder Verstärkungsstoff oder Additiv eingesetzt wird.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufliegefläche der beiden äußeren Kunststoffringe des einen Auslegers auf dem Hohlprofilgrundkörper gleich der Aufliegefläche des inneren Kunststoffrings auf dem Hohlprofilgrundkörper des anderen Auslegers ist, wobei Toleranzen im Bereich von +/- 10% möglich sind.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 25 bis 75% der Außenfläche eines einzusetzenden Hohlprofilgrundkörpers mit Kunststoff für die Befestigung der beiden Ausleger ringförmig umspritzt ist, vorzugsweise 50 bis 70%.
Prüfkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlprofilgrundkörper wenigstens ein Stützelement positioniert ist.