DE68907594T2 - Verfahren zum einspritzen eines kunststoffes in einen faserwerkstoff in einer form. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Formverfahren und insbesondere ein Verfahren zum Formen von komplexen Verbundgegenständen aus härtbaren Harzen.
• Bei einem üblichen Verfahren zum Formen von Verbundstoffen, das als Harz-Transferpreßverfahren bekannt ist, wird eine Struktur von Verstärkungsfasern, beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Kevlarfasern, in einer Form angeordnet, und dann wird ein flüssiges Harz in die Form gespritzt, so daß es die gesamte Verstärkungsstruktur durchdringt. Das Harz härtet dann aus unter Bildung eines Harz/Faser-Verbundgegenstands mit guten mechanischen Eigenschaften und relativ geringem Gewicht. Die endgültigen mechanischen Eigenschaften hängen von der Art der eingesetzten Verstärkungsfaser und des eingesetzten Harzes ab. Eine konventionelle Anordnung zum Spritzpressen von Harz aus einer Harzspritzmaschine in die Fasern in einer Form ist in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen gezeigt. Die Düse der Harzspritzmaschine wird auf der Einspritzöffnung der Form festgelegt, und druckbeaufschlagtes Harz wird aus der Spritzmaschine zugeführt und tritt an der Einspritzöf fnung in die Verstärkungsfasern ein. Bei großen Formgegenständen kann mehr als eine Öffnung verwendet werden, aber das ist mit Problemen verbunden, weil das Harz in dem Speisersystem aushärtet und Mittel vorgesehen sein müssen, um das ausgehärtete Harz zu entfernen.
• Seit einigen Jahren gibt es eine bedeutende Zunahme der Komplexität von Formgegenständen, die nach dem Harz-Transferpreßverfahren hergestellt werden, und zwar aufgrund der Einführung des Vorformens, das das Zusammensetzen komplexer Konfigurationen von Verstärkungsfasern beispielsweise gemeinsam mit der Verwendung von Einsätzen aus Schaumstoff erlaubt. Es können nunmehr Strukturen der in Fig. 2 der beigefügten Zeichnung gezeigten Art hergestellt werden, wobei zwei Schalen durch Schaumstoffeinsätze voneinander getrennt und Verbindungselemente vorgesehen sind. Um Harz erfolgreich einzupressen, wird bevorzugt, gleichzeitig in beide Schalen zu spritzen. Die für ein solches Bauteil verwendete Form wird normalerweise, wie gezeigt, auf eine solche Weise geteilt, daß die beiden Schalen auf alternativen Formflächen liegen. Das Spritzen von Harz in ein solches Bauteil verlangt daher zwei Spritzöffnungen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In der Praxis ist das schwer zu erreichen, da entweder zwei Spritzpistolen notwendig sind oder das Harz durch Angußkanäle zu jeder Öffnung geleitet werden muß oder zwar nur eine Öffnung verwendet wird, diese jedoch an einem Rand liegt, wodurch die Einspritzzykluszeit verlängert wird.
• Die eingene PCT-Veröffentlichung Nr. WO 89/00495 gibt ein Verfahren an zum Formen von komplexen Gestalten mit einem Schalenbereich, in den das Harz einzuspritzen ist, und einem Kernteil, der für Harz undurchdringlich ist, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Vorsehen eines Kernteils, der ein oder mehr Verteilerkanäle trägt, Einbringen desselben in eine geeignete Form und Spritzpressen von Harz in den Verteilerkanal, wodurch es sehr rasch zu sämtlichen Bereichen der Schale übertragen wird.
• Die Verwendung eines Verteilerkanals oder von Verteilerkanälen in dem im übrigen für Harz undurchdringlichen Kern läßt zu, daß Harz dorthin geleitet wird, wo immer es entsprechend der Formkonfiguration benötigt wird, indem eine einzige Harzspritzdüse verwendet wird. Die Spritzdüse wird durch die Einspritzöffnung durch eine Schale des zu formenden Gegenstands hindurch in dessen Verteilerkanal eingeführt. Nach Beendigung des Einspritzzyklus wird die Düse vor dem Aushärten des Harzes entfernt, und die Einspritzöffnung wird verschlossen. Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt die Herstellung von sehr komplexen Strukturen und eine Verkürzung der Zykluszeiten.
• Wir haben nunmehr festgestellt, daß ein gleichartiger Effekt erzielt werden kann, indem Verteilerkanäle in der Innenfläche der Form anstatt in dem Kern vorgesehen werden.
• Die US-PS 2 913 036 beschreibt ein Formverfahren, bei dem eine einzige starre Form gemeinsam mit einem flexiblen elastischen Beutel oder einer Hülle verwendet wird. Dagegen betrifft die vorliegende Erfindung zwei zusammengehörige starre Formhälften.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Form zur Verwendung beim Formen von Verbundgegenständen gemäß den Angaben in Anspruch 1 der beigefügten Patentansprüche bereitgestellt.
• Normalerweise wird es bevorzugt, keine Verteilerkanäle in der Form zu haben, da dies bedeutet, daß die Form selber modifiziert werden muß, was sehr viel unpraktischer ist als das Vorsehen von Verteilerkanälen in einem Schaumstoffkern gemäß der obigen eigenen PCT-Anmeldung. Das Verfahren nach der Erfindung ist jedoch nützlich, wenn kein Kern verwendet wird. Das gilt besonders in bezug auf bestimmte hochbeanspruchte Bauelemente wie Federn und Lenker, bei denen Kerne oder querliegende Fasern unannehmbar sind.
• Bevorzugt sind diese Verteilerkanäle, wenn sie zu der Schale hin offen sind, derart angeordnet, um eine erhebliche Verformung der Fasern der Schale in sie hinein zu verhindern, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.
• Das Verfahren der Erfindung ist hauptsächlich nützlich in Verbindung mit Verbundstoffen, die im Gebrauch hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind und daher einen hohen Anteil, z. B. 60 Gew.-% oder mehr, Fasern in dem Formgegenstand aufweisen müssen. Hinsichtlich der Schwierigkeiten, Harz mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in derart hohe Faserdichten einzuspritzen, wird auf die Erläuterung in der vorgenannten eigenen PCT-Anmeldung Bezug genommen. Diese Uberlegungen sind hier gleichermaßen zutreffend, und die vorliegende Erfindung überwindet derartige Schwierigkeiten, da sie das Formen solcher Gegenstände sehr viel schneller als bisher unter Anwendung viel niedrigerer Drücke zuläßt.
• Die Erfindung wird beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Form, die zum konventionellen Harz-Transferpressen verwendet wird;
• Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer Form, die für komplexe Gestalten eingesetzt wird und zwei Spritzdüsen verwendet;
• Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer Form, die ausgebildet ist, um das Verfahren nach der Erfindung durchzuführen;
• Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Formerzeugnisses, das mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
• Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 4; und
• Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeils B in Fig. 4.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 3 ist ersichtlich, daß eine Form 10 zum Herstellen einer Gestalt der in Fig. 2 gezeigten Art eine obere und eine untere Formhälfte 12, 14, die bei 16 geteilt sind, und eine einzige Einspritzöffnung 18 aufweist. Für Harz undurchdringliche Kerne 20 beispielsweise aus geschlossenzelligem Schaumstoff sind in dem Formhohlraum angeordnet und beispielsweise von Verstärkungsfasern wie etwa Glas-, Kohlenstoff- oder Kevlarfasern umgeben, und zwar auf ähnliche Weise wie bei konventionellen Formverfahren zur Herstellung von Verbundstoffen. Gemäß der Erfindung hat jedoch die Formhälfte 12 einen Verteilerkanal 22, der eine relativ tiefe, aber enge Nut bzw. einen solchen Hohlraum aufweist, der von der Düse 18 nach radial außen über die obere Schale 24 von Fasern verläuft.
• Eine Einspritzdüse 28 ist ausgebildet, um durch die Einspritzöffnung 18 in den Verteilerkanal 22 einzutreten. Das Einspritzen von Harz in den Verteilerkanal 22 stellt sicher, daß es schnell und gleichmäßig über die obere Schale 24 verteilt wird. Seitliche Lüftungsöffnungen (nicht gezeigt), die um die Trennlinie 16 herum verteilt sind, gewährleisten, daß von dem Harz verdrängte Luft den Formhohlraum verlassen kann.
• Nachdem das Einspritzen des Harzes beendet ist, wird die Einspritzdüse 28 zurückgezogen, und die Öffnung 18 wird verschlossen, wonach das Harz aushärtet oder man es aushärten läßt. Entformen auf konventionelle Weise ergibt einen Gegenstand ähnlich demjenigen, der in der konventionellen Form von Fig. 2 hergestellt wurde, aber die verwendete Formvorrichtung erlaubt kurze Formzeiten auch unter niedrigen Einspritzdrücken, weil die hauptsächliche Einschränkung der Geschwindigkeit, nämlich die Kapillarbewegung von Harz durch die die Schale aufweisende Fasermatte, im wesentlichen umgangen worden ist. Die Verteilerkanäle fördern nicht nur die Verteilung von Harz, sondern vergrößern in hohem Maß die Faseroberfläche, die zur Aufnahme des Harzes offen ist, wodurch der Durchtritt von Harz durch die Faserschicht beschleunigt wird. Weitere Verteilerkanäle für die untere Schale 26 können, falls gewünscht, vorgesehen werden.
• Die Verteilerkanäle befinden sich an der Oberfläche des Formhohlraums und sind teilweise durch die die Schale bildenden Verstärkungsfasern begrenzt. Es wird bevorzugt, daß die "Verteilerkanäle" hinreichend eng sind, so daß der Schalenbereich sich nicht in sie hinein verformt oder verschiebt. Solche Oberflächen-Verteilerkanäle können vorteilhaft die Form eines Fächers oder Netzwerks von miteinander verbundenen Kanälen haben.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 4-6 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die besonders geeignet ist in Verbindung mit sehr hoch beanspruchten Bauteilen wie Federn und Lenkern, die aus Verbundstoffen hergestellt sind. Bei solchen Bauteilen müssen sämtliche Fasern in einer Richtung liegen. Der Einschluß von Querfasern oder Kernen kann nicht toleriert werden, da diese eine Steigerung der Beanspruchung bewirken und die Festigkeit und das Betriebsverhalten des Erzeugnisses verschlechtern. Die Grundsätze des Verfahrens nach der Erfindung können jedoch angewandt werden, um diese Erzeugnisse ebenfalls sehr viel schneller herzustellen, als es bisher möglich war. Fig. 4 zeigt ein Bauteil 30, in diesem Fall eine Kraftfahrzeugfeder, aus einem Verbundstoff, der aus einer Anordnung von Glasfasern oder anderen Fasern 32 besteht, die im allgemeinen parallel zu der Längsachse des Bauteils gelegt sind. Es wird kein Kern verwendet. Das Bauteil 30 wird in einer Form 34 mit zwei Formhälften 36, 38 wie vorher hergestellt, wobei jede der Hälften mit Kanälen 40 versehen ist. Da sämtliche Fasern 32 in dem hier betroffenen Bauteil in einer Richtung ausgerichtet sind, könnte ein in dieser Richtung verlaufender Kanal normalerweise nicht verwendet werden, da die Fasern dazu tendieren würden, in den Kanal gedrückt zu werden und ihn somit zu blockieren. Um dieses Problem zu überwinden und gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind in den Kanälen Kanaleinsätze 42 vorgesehen. Die Einsätze sind im allgemeinen selber kanalförmig und sind mit einer Serie von Querschlitzen oder -öffnungen 44 längs ihrer Länge versehen. Im Fall der Kanäle 40, die parallel zu der Längsachse des Bauteils 30 verlaufen, verlaufen daher die Schlitze 44 quer zu dieser Achse, und dadurch wird verhindert, daß die Fasern 32 in den Kanal gepreßt werden. Zwischen sich bilden die Kanäle 40 und 42 Verteilerkanäle für Spritzharz und ermöglichen dem Harz, in die Fasern 32 durch jeden der Schlitze 44 entlang deren Länge verteilt zu werden.
• Nach dem Entformen hat das Produkt 30 ziemlich genau das Aussehen gemäß Fig. 4, wobei sich in den Kanälen 40 erstarrtes Harz befindet. Es ist aber eine relativ einfache Angelegenheit, die Kanäle 40 von der Oberfläche des fertigen Bauteils abzustreifen. Im Fall von Feder- oder Aufhängungseinheiten, bei denen ästhetische Qualitäten keine große Rolle spielen, spielt eine etwaige leichte Markierung an der Oberfläche aufgrund dieses Vorgehens keine Rolle. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt die Verwendung einer einzigen Spritzdüse und verteilt doch das Harz sehr rasch dorthin, wo es in dem geformten Bauteil benötigt wird.
• Ein weiterer Vorteil der letzteren Ausführungsform ist, daß die Kanaleinsätze 42 eine zweite, sehr wertvolle Funktion ausüben können, denn sie können als Festlegeeinrichtungen dienen, um die trockenen Fasern in ihrer Lage zu halten, bevor die Faserstruktur in die Form eingebracht wird. Auf diese Weise wäre es möglich, Trockenfasern automatisch in einer Aufspannvorrichtung zu der Konfiguration des endgültigen Bauteils aufzuschichten, sie unter Verwendung von Einsätzen 42 festzulegen, in die Form zu überführen und dann das Harz durch das Netzwerk von Verteilerkanälen, die durch die Kanäle 40 definiert sind, einzupressen. Ein solches System ist für den vollautomatischen Betrieb geeignet. Es ist eine relativ einfache Angelegenheit, die Kanalelemente 42 ineinandergreifend auszubilden, um das genannte Ziel zu erreichen.
• In manchen Fällen ist es erwünscht, an dem Verbundgegenstand ein oder mehr zusätzliche Elemente, beispielsweise äußere Verstärkungselemente, anzuformen. Einige oder sämtliche Kanäle 42 könnten Teil solcher Elemente sein, die dann natürlich nach dem Entformen nicht abgestreift werden.
• Das Verfahren wurde zwar unter Bezugnahme auf das Harz- Transferpressen beschrieben, es versteht sich aber, daß es vielseitiger anwendbar ist und mit jedem zusammengesetzten Formgegenstand verwendbar ist, bei dem ein "Dochteffekt" von Harz durch eine faserige Verstärkungsschicht die Formungsgeschwindigkeit begrenzt und/oder die Anwendung hoher Preßdrücke erfordert.
• Da das Harz in dem Verteilerkanal 22 erstarrt und an der Oberfläche des Produkts als erhabene Rippe erscheint, muß die Positionierung von Verteilerkanälen selbstverständlich so gewählt werden, daß dadurch die Brauchbarkeit des Produkts nicht beeinträchtigt wird, die Verteilerkanäle beispielsweise nur an der "innenseitigen" Oberfläche desselben erscheinen; alternativ können solche "Rippen" vor dem Gebrauch abgestreift oder durch maschinelles Bearbeiten entfernt werden.

Claims (11)

1. Form zur Verwendung beim Formen von komplexen Gestalten durch Einspritzen eines Kunststoff-Harzes in Fasern in der Form, wobei die Form ein Paar von Formhälften (12, 14) aufweist, die an einer Trennlinie (16) aufeinandertreffen, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der Hälften ein oder mehr Verteilerkanäle (22, 40) vorgesehen sind, die mit den Fasern in Verbindung sind, wobei der Verteilerkanal bzw. die Verteilerkanäle (22, 40) angeordnet sind, um eine erhebliche Verformung der Fasern in sie hinein zu verhindern.

2. Form nach Anspruch 1, wobei die Verteilerkanäle (22, 40) quer zu der Länge von einigen oder sämtlichen Fasern angeordnet und hinreichend eng sind, um eine Verformung der Fasern in sie hinein zu verhindern.

3. Form nach Anspruch 1, wobei die Verteilerkanäle (40) in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Länge der Fasern liegen und Kanaleinsätze (42), die mit einer Serie von Querschlitzen (44) versehen sind, in den Verteilerkanälen (40) verwendet sind, um zu verhindern, daß Fasern in die Verteilerkanäle (40) gepreßt werden.

4. Form nach Anspruch 3, wobei die Kanaleinsätze (42) allgemein kanalförmige Kunststoff-Streifen aufweisen, in denen eine Serie von Querschlitzen (44) vorgesehen ist.

5. Verfahren zum Formen komplexer Gestalten, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist: Einbringen von Fasern in eine Form, wobei die Form ein Paar von Formhälften (12, 14) aufweist, die an einer Trennlinie (10) aufeinandertreffen und ein oder mehr Verteilerkanäle (22, 40) in wenigstens einer der Hälften haben, die mit den Fasern in Verbindung sind, wobei der Verteilerkanal bzw. die Verteilerkanäle angeordnet sind, um eine erhebliche Verformung der Fasern in sie hinein zu verhindern, Einspritzen von Harz in die Form und Zulassen, daß es aushärtet, bevor entformt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Harz direkt in ein oder mehr Verteilerkanäle (22, 40) eingespritzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Faserdichte in dem fertigen Verbundgegenstand im Bereich von 60 Gew.-% oder höher liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, wobei die von den Verteilerkanälen (22, 40) gebildeten Rippen nach dem Entformen von dem Produkt abgestreift werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8, wobei die Verteilerkanäle (40) in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Länge der Fasern liegen und in den Verteilerkanälen (40) Kanaleinsätze (42) vorgesehen sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kanaleinsätze (42) als Festlegeeinrichtungen verwendet werden, um die trockenen Fasern in ihrer Lage zu halten, bevor die Fasern in die Form (12, 14) eingebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kanaleinsätze (42) ineinandergreifen.