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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Harzformteil und ein
Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere ein leichtes Harzformteil,
welches mit Glasfasern oder ähnlichen
Fasern verstärkt
ist, welches eine exzellente Steifigkeit, Biegesteifigkeit, Schlagzähigkeit,
Gleichförmigkeit
der Festigkeit, Widerstandsfähigkeit
in Bezug auf lokale Spannung und Torsion wie ein faserverstärktes Harzformteil
hat, das eine Rippenstruktur oder eine rippenartige Struktur im
Innern des Formteils hat. Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auch auf ein effizientes Verfahren zu dessen Herstellung.
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Beschreibung der artverwandten
Technik
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Aus
herkömmlicher
Sicht ist es bekannt, ein faserverstärktes Harzformteil durch Zugabe
von Fasern, wie Glasfasern, zu verstärken. Da das faserverstärkte Harzformteil
exzellente mechanische Eigenschaften, wie Zug- und Biegefestigkeit
und Hitzebeständigkeit,
wird es in weitem Umfang für
Fahrzeugteile, wie Innenscheibenkerne, Stoßstangenträger, Türeinstiege, Dachträger, Rückseitenbleche
und Luftfiltergehäuse
und für
bautechnische Materialien, wie Tafeln für externe Wände oder Zwischenwände und
Kabeldurchführungen
verwendet. Bei der Herstellung dieser faserverstärkten Harzformteile kann ein
Spritzgussverfahren angewendet werden, um ein Fasern enthaltendes,
geschmolzenes Harz in einen Hohlraum innerhalb der Gussformen zu
injizieren. Dieses Spritzgussverfahren ermöglicht sowohl die Formgussherstellung
von Teilen, die eine komplizierte Struktur haben als auch die Massenherstellung von
Teilen mit der gleichen Formgebung, da ein vorbestimmter Spritzgussablauf
kontinuierlich wiederholt werden kann.
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Wird
der Anteil der Fasern, der dem faserverstärkten, im Spritzgussverfahren
hergestellten Harzformteil zugesetzt wird, erhöht, um dessen Festig- und Steifigkeit
zu erhöhen,
neigt das Teil dazu Gewicht zu verlieren und heftig die Form zu
verlieren. Zu dem Zweck der Gewichtsreduktion der Formteile sowie
zur Lösung
weiterer Probleme offenbart die offen gelegte japanische Patentanmeldung
(kokai) mit dem Aktenzeichen 7-247679 usw. ein Expansionsspritzgussverfahren,
bei dem ein Aufschäummittel
dem Harzmaterial zugegeben wird und das Material aufgeschäumt und
zu einem Formteil gespritzt wird. Wird bei diesem Expansionsspritzgussverfahren
jedoch eine beachtliche Menge des Aufschäummittels zur Gewichtsreduzierung
des Formteils verwendet, kann eine ausreichende Expansionsrate nicht
mehr leicht erreicht werden. Selbst im Falle, dass eine ausreichende Expansionsrate
erreicht wird, ist die Erscheinung des Formteils aufgrund des Aufschäumens dahingehend
beeinträchtigt,
dass große
Poren sich leicht innerhalb des Formteils ausbilden und gleichmäßige Poren
nicht leicht darin ausgebildet werden. Folglich kann es sein, dass
die mechanischen Anforderungen, wie Festigkeit, Steifigkeit und Schlagfestigkeit
nicht in ausreichendem Maße
erfüllt werden,
obwohl das Formteil Fasern zur Verstärkung enthält.
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Um
die vorgenannten Probleme zu lösen
und das Gewicht der Formteile zu verringern, wobei die Qualität in Bezug
auf die Erscheinung und die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit,
Steifigkeit und Schlagfestigkeit des Formteils erhalten bleiben, wurden
die folgenden Techniken vorgeschlagen: (1) ein Expansionsformverfahren,
bei dem faserverstärkte
Harzpellets, die vergleichsweise lange Fasern enthalten, im geschmolzenen
Harz verschmolzen werden und das geschmolzene Harz während des Schmelzens
aufgrund der Ausnutzung des von den enthaltenden Fasern verursachten
Rückfederphänomens expandiert,
um dabei ein leichtes Formteil zu erhalten; (2) ein Expansionsformverfahren,
bei dem ein Aufschäummittel
zur Unterstützung
der Expansion des Harzes in die faserverstärkten Harzpellets unter Punkt
(1) oben eingemischt wurde, um das Gewicht der faserverstärkten Harzformteile
weiter zu reduzieren (Internationale Patentveröffentlichung WO97/29896). Diese
Verfahren reduzieren das Gewicht der Formteile ausreichend, ohne
deren mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen und sind ebenso bei
der Gewichtsreduktion von faserverstärkten Harzformteilen wirksam.
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Als
weiteres Verfahren wurde (3) ein Verfahren zur Herstellung von aufgeschäumten Harzformteilen
vorgeschlagen, bei dem ein geschmolzenes Harz, das ein chemisches
Aufschäummittel
enthält, durch
Einspritzen oder Spritzprägen
in den Gussformhohlraum eingefüllt
wird, die einen beweglichen Kern, der einen Schlitz hat, aufweisen;
die Harzoberfläche,
die in Kontakt mit der Gussform steht, wird abgekühlt und
ohne aufzuschäumen
verfestigt; das Fassungsvermögen
des Hohlraums wird durch Bewegen des beweglichen Kerns so vergrößert, dass dadurch
das geschmolzene Harz veranlasst wird, in das vergrößerte Fassungsvermögen des
Hohlraums aufzuschäumen,
wodurch ein aufgeschäumtes
Harzformteil, das eine Rippenstruktur aufweist, hergestellt wird
(offen gelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Aktenzeichen 9-104043).
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Die
US-A-4 374 906 offenbart ein faserverstärktes, leichtes, Poren aufweisendes
Harzformteil, das einen genuteten Abschnitt aufweist, der in der
Dickenrichtung des Formteils ausgebildet ist.
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EP-A-0
755 762 offenbart ein Gussformverfahren eines faserverstärkten Harzteils,
wobei die Gussform einen beweglichen Kern aufweist, der relativ
zum Gussformhohlraum vorrücken
und sich zurückziehen
kann.
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In
Abhängigkeit
der Gewichtsreduktion (Expansion) oder Formgebung des Formteils,
beispielsweise in solch einem Fall, bei dem das Formteil einen großen Abschnitt
oder ein großes
Fassungsvermögen
hat, kann das Formteil, das durch die Verfahren (1) oder (2) erhalten
wurde, unzureichende Biegefestigkeit und Steifigkeit haben, sogar
die unzureichende Widerstandsfähigkeit
gegenüber
lokaler Belastung, die geringe Gleichförmigkeit der Festigkeit und Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Torsion sind verbesserungswürdig.
Bei dem Verfahren (3), welches ein Aufschäummittel verwendet, ist die
Expansion des Aufschäummittels
schwierig zum Zeitpunkt des Einspritzens zu unterdrücken. Insbesondere
beim Spritzgussverfahren mit Kompressionsdruck neigt das Harz dazu,
aufgrund des im Harz reduzierten Druckes zum Zeitpunkt des Einspritzens
aufzuschäumen,
was zu silbernen Markierungen auf der Oberfläche des erhaltenen Formteils
führt.
Ferner werden bei hohen Expansionsraten große Poren im aufgeschäumten Abschnitt
ausgebildet, wie in den Bespielen hierin gezeigt wird, was zu einem
Formteil von geringer Gleichförmigkeit
führt.
Darüber
hinaus werden Formteile mit ausreichender Festigkeit, selbst wenn die
Gewichtsreduktion erreicht wird, nicht leicht erhalten.
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Da
das aufgeschäumte
Produkt geschlossene Zellen hat, ist die Auskühlzeit des erhaltenen Formteils
verlängert.
Dadurch verlängert
sich der Formgussablauf, was ein Problem hinsichtlich der Produktivität darstellt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
eines faserverstärkten,
leichten Harzformteils mit Poren bereitzustellen, das die oben erwähnten Nachteile überwindet.
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Die
oben erwähnten
Aufgaben können
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst
werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein faserverstärktes Harzformteil
bereit zu stellen, welches eine exzellente Biegesteifigkeit, Steifigkeit, Schlagzähigkeit,
Hitzebeständigkeit,
Widerstandsfähigkeit
in Bezug auf lokale Spannung und Torsion sowie Gleichförmigkeit
aufweist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Herstellung solch eines Harzformteils bereit zu stellen.
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Im
Hinblick auf das Vorangegangene haben die vorliegenden Erfinder
sorgfältige
Studien, betreffend die Gesamtstruktur, einschließlich der
inneren Struktur, von faserverstärkten,
leichten Harzformteilen mit darin verteilten Poren und deren Eigenschaften,
durchgeführt.
Dabei fanden sie heraus, dass bei herkömmlichen Verfahren, bei denen
zur Expansion einfach ein beweglicher Kern zurückgezogen wird, ein Harzformteil
erhalten wird, das einen nicht oder gering expandierten Abschnitt
in seinem peripheren Rand ausgebildet hat und dass eine nahezu gleichförmige Expansion
in dessen allgemein anderen Abschnitten, wie im Zentralbereich,
auftritt, die eine flächige
Struktur haben. Sie fanden ferner heraus, dass sich die Eigenschaften
eines Formteils verbessern, wenn ein Formteil eine grobe und dichte
Struktur hinsichtlich der Poren hat, statt dem Fall, bei dem die Poren
gleichmäßig über die
Gesamtheit des Formteils verteilt sind und wenn das Formteil eine
einzige rippenartige Struktur hat, bei der eine Funktion einer Rippe
zwischen den zwei Außenhautschichten
angenommen wird.
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In
Verbindung mit dem Verfahren zur Ausgestaltung der oben erwähnten Rippen
oder rippenartigen Struktur in einem Harzformteil fanden die vorliegenden
Erfinder heraus, dass, wenn ein genuteter Abschnitt, der in der
Dickenrichtung eines gleichförmig
expandierten Abschnitts ausgebildet ist, vorgesehen ist, dient der
genutete Abschnitt als eine zu einer Rippe gleichwertigen Struktur,
die geringe Porosität
aufweist. Sie fanden ebenso heraus, dass diese Struktur durch ein
Verfahren zu erhalten ist, bei dem Fasern enthaltendes, geschmolzenes,
thermoplastisches Harz in einen Holraum eingespritzt wird, der von
einem beweglichen Kern gebildet wird, der relativ zum Gussformhohlraum
vorrücken
und sich zurückziehen
kann und der einen vorstehenden Abschnitt für die Ausbildung des genuteten
Abschnitts des Formteils aufweist und bei dem nachfolgend der bewegliche
Kern zurückgezogen
wird, um das Aufnahmevermögen
des Hohlraums zu vergrößern.
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Zweitens
fanden sie heraus, dass, wenn ein gering oder nicht expandierender
Abschnitt dadurch ausgebildet wird, dass der Grad der Expansion
relativ zum gleichmäßig expandierten
Abschnitt des Formteils, das eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist,
geändert
wird, der gering oder nicht expandierte Abschnitt im Wesentlichen
vorteilhaft als eine Rippenstruktur dient. Sie fanden ebenso heraus, dass
das Formteil, welches diese Struktur aufweist, durch ein Formgießverfahren
hergestellt werden kann, bei dem nur die Abschnitte, die mit den
beweglichen Abschnitten korrespondieren, dadurch expandiert werden,
dass ein beweglicher Kern verwendet wird, der relativ zum Hohlraum
vorrücken
und sich zurückziehen
kann und der eine Vielzahl von Hohlraum formenden Oberflächen hat
(beweglicher Kern, der eine Vielzahl von beweglichen Abschnitten
aufweist).
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Als
drittes fanden die vorliegenden Erfinder heraus, dass die Eigenschaften
eines Formteils verbessert werden, wenn die Struktur eines gleichmäßig expandierten
Abschnitts so geändert
wird, dass das Formteil eine Art Rippenstruktur erhält, bei
der im Wesentlichen keine oder sehr wenige Poren in der Dickenrichtung
zwischen den Außenhautschichten ausgebildet
werden und dass solch ein Formteil dadurch hergestellt werden kann,
dass ein Schlitz auf der Hohlraumseite des beweglichen Kerns vorgesehen
wird.
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Als
viertes fanden die vorliegenden Erfinder heraus, dass, wenn ein
rippenartiger vorstehender Abschnitt oder einer vom Verteilungstyp
auf dem gleichmäßig expandierten
Abschnitt ausgebildet wird, der vorstehende Abschnitt Verstärkungseffekte ähnlich der
einer Rippe entwickelt und zusätzlich, dass,
wenn ein Fasern enthaltendes geschmolzenes Harz (thermoplastisches
Harz) expandiert wird, der Abschnitt, der mit dem vorstehenden Abschnitt
korrespondiert, d. h. der Abschnitt des vorstehenden Abschnitts
plus des Abschnitts des Körpers
darunter, eine gering expandierte, d. h. gering poröse, dichte Struktur
im Vergleich zu anderen, flachen Abschnitten erhält. Sie fanden ebenso heraus,
dass das Formteil, welches diese Struktur hat, durch ein Verfahren
hergestellt werden kann, bei dem ein Fasern enthaltendes, geschmolzenes
Harz in einen Hohlraum einer spezifischen Gussform eingespritzt
wird und eine Gussform in der Richtung zurückgezogen wird, in der der
Gussformhohlraum expandiert wird.
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Basierend
auf den obigen Ergebnissen haben die vorliegenden Erfinder die vorliegende
Erfindung vollendet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein faserverstärktes
Harzformteil geschaffen, welches eine exzellente Biegesteifigkeit,
Steifigkeit, Schlagzähigkeit,
Hitzebeständigkeit,
ausreichende Widerstandsfähigkeit
in Bezug auf lokale Spannung und Torsion sowie Gleichförmigkeit
aufweist. Ferner kann im Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
die Gewichtsreduktion durch Verwendung von Gussformen mit vergleichsweise
einfachen Strukturen beliebig reguliert werden, und die exzellente
Oberflächenqualität eines
Formteils kann erhalten werden, beispielsweise kann die flache Struktur der
Außenseite
eines leichten Formteils beibehalten werden.
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1 zeigt in schematisierter
Form eine erste Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein
leichtes, faserverstärktes
Harzformteil in einer ersten Betriebsart der vorliegenden Erfindung,
wobei 1(A) einen Zustand
unmittelbar vor der Expansion des Hohlraums der Spritzgussform und 1(B) einen Zustand nach
der Expansion zeigen.
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2 zeigt in schematisierter
Form eine zweite Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für
ein leichtes, faserverstärktes
Harzformteil in einer ersten Betriebsart der vorliegenden Erfindung,
wobei 2(A) einen Zustand
unmittelbar vor der Expansion des Hohlraums der Spritzgussform und 2(B) einen Zustand nach
der Expansion zeigen.
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3 zeigt in schematisierter
Form eine dritte Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein
mit integrierter Oberfläche,
leichtes, faserverstärktes
Harzformteil in einer ersten Betriebsart der vorliegenden Erfindung,
wobei 3(A) einen Zustand
unmittelbar vor der Expansion des Hohlraums der Spritzgussform und 3(B) einen Zustand nach der
Expansion zeigen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden im Detail beschrieben. Die
vorliegende Erfindung stellt ein faserverstärktes, leichtes Harzformteil
bereit, welches einen Abschnitt aufweist, der geringere Porosität als andere
flache (oder übliche)
Abschnitte; das insbesondere eine Rippenstruktur oder rippenartige
Struktur im Innern des Formteils mit darin enthaltenen Poren aufweist;
das noch spezifischer eine Rippenstruktur oder rippenartige Struktur
in Dickenrichtung des Formteils aufeist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes, leichtes Harzformteil,
welches darin Poren, insbesondere verteilte Poren, und einen genuteten
Abschnitt in der Dickenrichtung des Formteils aufweist und noch
spezifischer ein faserverstärktes leichtes
Harzformteil, in dem ein Harzabschnitt, welcher den genuteten Abschnitt
bildet, eine Porosität aufweist,
die geringer als der der flachen Abschnitte ist. Die erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen faserverstärkten,
leichten Harzformteils in effizienter Weise.
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Bei
der Herstellung des faserverstärkten, leichten
Harzformteils mit darin verteilten Poren wird ein faserverstärktes, geschmolzenes
Harz in einen Gussformhohlraum eingespritzt, um den Hohlraum mit
dem Harz zu füllen,
und dann wird der Gussformhohlraum auf das Volumen eines angestrebten
Formteils erweitert. Zu diesem Zeitpunkt wird das geschmolzene Harz
aufgrund des Rückfederphänomens der
darin enthaltenden verknäuelten
Fasern auf das gewünschte
Volumen erweitert. Nach der Abkühlung
wird die Gussform geöffnet
und ein faserverstärktes,
leichtes Harzformteil mit darin verteilten Poren wird erhalten.
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Der
Herstellungsprozess ist dadurch charakterisiert, dass ein faserverstärktes, geschmolzenes Harz
in einen Hohlraum einer Gussform eingespritzt wird, wobei die Gussform
einen vorspringenden Abschnitt aufweist, der einen genuteten Abschnitt
im Formteil ausformt, und dass dann ein beweglicher Kern zurückgezogen
wird, wobei der vorspringende Abschnitt an seiner Stelle verbleibt,
um so den Hohlraum zu vergrößern und
dabei den Gussvorgang abschließt.
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Im
allgemeinen Fall, dass ein einzelner Kern, der eine einfache Form
hat, beispielsweise eine Oberflächenformgebung,
die identisch mit der gesamten Hohlraumoberfläche (in einer flacher Formgebung)
hat, verwendet wird, wird ein faserverstärktes, leichtes Harzformteil
erhalten, das einen nahezu gleichmäßigen Expansionskoeffizienten
aufweist. Obwohl das Formteil leicht ist, hat es eine große Fläche und
großes
Volumen. Wird das Gewicht des Formteils weiter reduziert, kann das
Teil nicht ausreichende Stabilität
und Steifigkeit aufweisen. Wird im Gegensatz dazu ein beweglicher
Kern in der Form verwendet, dass ein Spalt zwischen dem Kern und der
Seitenwand eines Hohlraums der Gussform bestehen bleibt, so wird
ein Formteil mit hohem Expansionskoeffizient erhalten, der in seinem
peripheren Abschnitt keine oder geringe Expansion aufweist, und
andere Abschnitte, beispielsweise der Zentralbereichs, weisen eine
gleichmäßige Expansion
auf. Da dieses Formteil eine unexpandierte Außenhautschicht an seiner Oberfläche, die
in Kontakt mit der Wand steht, beim Abkühlen erhält, ist das Formteil leicht
und weist Stabilität
und Steifigkeit auf. Ein Formteil jedoch, welches eine dreilagige
Struktur aufweist, die sich aus einer Außenhautschicht/einer expandierten
Schicht/einer Außenhautschicht
zusammensetzt, kann es an ausreichender Steifigkeit fehlen, wenn
seine Fläche
und sein Volumen groß sind und
es kann unzureichende Widerstandsfähigkeit gegenüber lokaler
Belastung und Torsion aufweisen.
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Um
diese Probleme zu lösen,
werden die Außenhautschichten
auf den zwei Oberflächen
teilweise über
nicht oder gering expandiertes Harz verbunden. Dazu wird beim Herstellungsverfahren
ein Fasern enthaltendes, geschmolzenes, thermoplastisches Harz in
einen Gussformhohlraum eingespritzt, der durch einen beweglichen
Kern mit einem vorspringenden Abschnitt zur Ausbildung von einem
genuteten Abschnitt des Formteils ausgebildet wird, und dann wird
der bewegliche Kern in die Richtung zurückgezogen, in der der Gussformhohlraum
expandiert wird.
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Die
Formgebung und Anzahl des Kerns bzw. der Kerne werden passend zur
Größe und zu
den gewünschten
Merkmalen des Formteils festgelegt. Die örtliche Anordnung, Formgebung,
Größe, Anzahl,
die Verteilung usw. des vorspringenden Abschnitts bzw. der vorspringenden
Abschnitte zur Ausbildung des genuteten Abschnitts werden entsprechend
so festgelegt, wie sie unter Berücksichtigung
der Formgebung, Dicke, Fläche,
Volumen, Grad der Gewichtsreduktion, Nutzungsumgebung und des gewünschten Betriebsverhaltens
des Formteils als geeignet erachtet werden. Im Allgemeinen ist der
genutete Abschnitt auf der rückseitigen
Oberfläche
des Formteils vorgesehen und hat eine Breite von 2 bis 10 mm und
eine Länge
von 10 mm oder mehr. Der genutete Abschnitt ist durchgängig oder
unterbrochen in irgendeiner Richtung ausgebildet. Die Harzschicht
zwischen der Unterseite des genuteten Abschnitts und der Oberfläche des
Formteils an der gegenüberliegenden
Seite ist bevorzugt eine Harzschicht, die im Wesentlichen keine
oder sehr wenige Poren aufweist. Im Allgemeinen ist die Gussform,
die einen vorspringenden Abschnitt zur Ausformung des genuteten
Abschnitts hat, eine bewegende Gussform und ein bewegbarer Kern,
der darin vorrücken
und sich zurückziehen kann
und eine feststehende Gussform, die den Gussformhohlraum ausbildet.
Mit dem vorspringenden Abschnitt, welcher in dem beweglichen Kern
vorgesehen ist, kann die Einspritzung des geschmolzenen Harzes und
das Zurückziehen
des beweglichen Kerns durchgeführt
werden, während
der vorspringende Abschnitt im Hohlraum steckt, und der Hohlraum
kann auf das vorgegebene Volumen expandiert werden, während der
vorspringende Abschnitt an Ort und Stelle verbleibt. Daher kann
innerhalb eines bestimmten Gewichtsreduktionsbereiches ein weiterer vorspringender
Abschnitt in der feststehenden Gussform, die dem beweglichen Kern
gegenübersteht, vorgesehen
sein.
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Im
Falle, dass ein vorspringender Abschnitt in der bewegenden Gussform
vorgesehen ist, ist die Anordnung der Gussformen so ausgelegt, dass
ein beweglicher Kern innerhalb der bewegenden Gussform, die den
vorspringenden Abschnitt aufweist, vorrücken und sich zurückziehen
kann. Ferner kann ein Spalt in dem vorspringenden Abschnitt dem
beweglichen Kern gegenüberliegend
vorgesehen sein, so dass der Spalt einen Teil des Hohlraums der
Gussform im Zeitpunkt des Einspritzens des geschmolzenen Harzes
bildet. Mit dieser Struktur wird die Formgebung der Oberfläche des
vorspringenden Abschnittes, der dem Hohlraum gegenüberliegt,
auf das fertig gestellte Formteil übertragen, so dass die Einwirkung,
hervorgerufen durch das nachfolgende Zurückziehen des beweglichen Kerns,
eliminiert wird und die Außenhautschichten
fest ausgeformt werden.
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Ebenso
werden die Stellungen des vorspringenden Abschnitts, wenn er in
den Gussformhohlraum gesteckt ist und des beweglichen Kerns, wenn er
ebenfalls dort hinein gesteckt ist, in geeigneter Weise festgelegt.
Im Allgemeinen werden diese so festgelegt, so dass ein geeignetes
Spiel zwischen dem vorspringenden Abschnitt und der Oberfläche der
Gussform, die diesem gegenüberliegt,
verbleibt.
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Die
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindungen werden nachfolgend
anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt schematisiert eine
erste Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten, leichten Harzformteils
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die 1(A) zeigt
den Zustand unmittelbar vor dem Einspritzen eines Fasern enthaltenden,
geschmolzenen, thermoplastischen Harzes in eine Spritzgussform und
nachfolgender Expansion des Hohlraums der Spritzgussform. 1(B) stellt einen Zustand
nach Expansion des Hohlraums der Spritzgussform und vor dem Öffnen der
Spritzgussform, d. h. ein Zustand nach Fertigstellung der Ausformung
eines Formteils. In 1(A) bezeichnet
die Ziffer 1 eine feststehende Gussform; die Ziffer 2 bezeichnet
eine bewegende Gussform; die Ziffer 3 bezeichnet einen
bewegbaren Kern; die Ziffer 4 bezeichnet einen vorspringenden
Abschnitt der bewegenden Gussform; die Ziffer 5 bezeichnet
einen Harzdurchgang; die Ziffer 6 bezeichnet einen Hohlraum;
die Ziffer 7 bezeichnet einen Gaseinlass; und die Ziffer 8 bezeichnet
einen Gasauslass. Zu Beginn der Herstellung des faserverstärkten, leichten
Harzformteils der vorliegenden Erfindung werden die feststehende
Gussform 1 und die bewegende Gussform 2, welche
den vorstehenden Abschnitt 4 aufweist, zusammengeklemmt.
Der bewegliche Kern 3 wird in den Hohlraum 6 vorgerückt, so
dass ein Hohlraumvolumen für
den Spritzguss vorgegeben ist. Insbesondere der bewegliche Kern 3 wird
in eine Stellung vorgerückt,
wobei ein Spiel D1 in der Dickenrichtung eines Formteils definiert
wird, wie in 1(A) dargestellt
ist. In 1(A) ist die
Spitze des vorspringenden Abschnitts 4 mit der Oberfläche des
beweglichen Kerns 3 ausgefluchtet. Die relative Position
zwischen der Spitze und der Oberfläche kann entsprechend eines
Expansionskoeffizienten eines Formteilbereiches und eines Expansionskoeffizienten
eines Formteilbereiches, der einen im Formteil ausgeformten, genuteten
Abschnitt umgibt, geeignet festgelegt werden. Auf ähnliche
Weise kann das Spiel D1 und die Formgebung des beweglichen Kerns 3 entsprechend der
Formgebung und der Realisierung des Grades der Leichtigkeit eines
Formteils geeignet festgelegt werden.
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Ein
faserverstärktes,
geschmolzenes, thermoplastisches Harz wird durch eine Düse eines
nicht dargestellten Plastikators in den Hohlraum 6 im obigen
Ausgangszustand durch den Harzdurchgang 5 eingespritzt.
Das Auskühlen
des eingespritzten, geschmolzenen Harzes beginnt ausgehend von einem Abschnitt,
der in Kontakt mit der Gussform steht. Bevor das geschmolzene Harz
vollständig
abgekühlt und
ausgehärtet
ist, wird der bewegliche Kern 3, wie in 1(B) gezeigt ist, zurückgezogen. Der bewegliche Kern 3 wird
insbesondere auf eine Position zurückgezogen, die mit dem Spiel
D2 korrespondiert, d. h. auf eine Position, auf die das Hohlraumvolumen expandiert
wird, um das endgültige
Formteil auszuformen. Das Zurückziehen
des beweglichen Kerns 3 bewirkt ein Zurückfedern der verknäuelten Fasern, die
im geschmolzenen Harz enthalten sind, wodurch die Expansion des
geschmolzenen Harzes in die Formgebung des endgültigen Formteils bewirkt wird. Mit
anderen Worten: die so hervorgerufene Expansionskraft sorgt dafür, dass
das geschmolzene Harz gegen die Oberfläche der Gussform gepresst und entsprechend
ausgeformt wird. Während
dem Formgießen
verbleibt der vorspringende Abschnitt 4 der bewegenden
Gussform 2 feststehend. Folglich ein genuteter Abschnitt,
der mit dem vorstehenden Abschnitt 4 korrespondiert, im
Formteil ausgebildet. Nach dem Auskühlen wird die Gussform geöffnet und das
faserverstärkte,
leichte Harzformteil aus der Gussform entnommen.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
der bewegliche Kern 3 in den Hohlraum 6 in Dickenrichtung
des Hohlraums 6 vorgerückt,
danach erfolgt das Einspritzen von geschmolzenem Harz. Dann wird
der bewegliche Kern 3 zurückgezogen, um das eingespritzte,
geschmolzene Harz zu expandieren. In der in den Hohlraum 6 vorspringenden
Stellung wirkt der vorspringende Abschnitt 4 wie die Oberfläche der
Gussform und die Oberfläche
des beweglichen Kerns 3 abkühlend auf das geschmolzene Harz.
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Das
Abkühlen
des geschmolzenen Harzes oder eine Temperaturerniedrigung des geschmolzenen
Harzes verursacht eine Viskositätssteigerung des
geschmolzenen Harzes. Folglich ist ein abgekühlter Abschnitt des geschmolzenen
Harzes im Wesentlichen in seiner Expansion im Vergleich zum restlichen
Abschnitt des geschmolzenen Harzes gesperrt oder beschränkt. Daraus
ergibt sich, dass das Formteil einen groben, stark expandierten
Abschnitt H1 und einen dichten, gering expandierten Abschnitt L1 aufweist.
Durch das Vorhandensein des vorspringenden Abschnitts 4 ist
der dichte Abschnitt L1 nicht nur entlang der Peripherie des Formteils
sondern auch entlang des genuteten Abschnitts des Formteils ausgebildet.
Die Struktur, die von dem genuteten Abschnitt und dem umgebenden
dichten Abschnitt L1 gebildet wird, fungiert wie eine gerippte Struktur,
wobei ein Effekt erreicht wird, der mit einer gerippten Struktur
erreicht würde.
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Die
vorliegende Erfindung erfordert die Injizierung eines geschmolzenen
Harzes in den Hohlraum 6, welches eine hohe Expansionsfähigkeit
aufweist, die von der Realisierung des erforderlichen Grades der
Leichtigkeit eines Formteils abhängt. Folglich
haben die Fasern, die in einem injizierten, geschmolzenen Harz enthalten
sind, beispielsweise Glasfasern, wie oben erwähnt wurde, eine große Durchschnittslänge. Ferner
kann, um ein Formteil mit hoher Porosität zu erhalten, eine geringe
Menge eines Aufschäummittels
zum Harzmaterial zugegeben werden. Das Aufschäummittel unterstützt eine
Expansionskraft, die vom Rückspringphänomen eingeleitet
wird, um so das geschmolzene Harz in engen Kontakt mit der Oberfläche der
Gussform zu bringen, wobei die Ausbildung von Einsackstellen vermieden wird.
Nachdem der bewegliche Kern 3 beginnt sich zurückzuziehen,
wird auch Gas, das unter vergleichsweise geringem Druck von nicht
mehr als 1 MPa steht, in den Hohlraum 6 durch den Gaseinlass 7 bei
geschlossenem Gasauslass 8 eingeleitet. Alternativ kann
Gas aus dem Gasauslass 8 abgelassen werden, während ein
Gasdruck am Gasauslass 8 auf einem bestimmten Level aufrechterhalten
wird. Dies unterstützt
das Abkühlen
eines Formteils und verhindert die Ausbildung von Einsackstellen
an der Oberfläche
des Formteils. Im Gegensatz zu isolierten Poren, die bei herkömmlichen
Verfahren durch Verwendung eines Aufschäummittels zur Realisierung
von Leichtigkeit ausgebildet werden, sind die Poren in dem faserverstärkten, leichten
Harzformteil der vorliegenden Erfindung durchgängig aufgrund des Zurückspringens
der verknäuelten
Fasern, die im geschmolzenen Harz enthalten sind. Das heißt, die
Poren sind durchgängig
entlang der verknäuelten
Fasern ausgebildet. Folglich ist die vorliegende Erfindung dadurch
gekennzeichnet, dass Gas in ein Formteil eingeleitet werden kann,
wodurch der expandierte Abschnitt eines Formteils homogenisiert wird.
Durch die Einleitung von Gas in das Formteil kann darüber hinaus
das Formteil von innen abgekühlt
werden, was den Spritzgussablauf signifikant verkürzt. Ein
Abschnitt des Formteils, der den genuteten Abschnitt, der vom vorstehenden
Abschnitt 4 in einem Formteil ausgeformt wird, umgibt,
weist nur geringe oder keine Expansion auf. Im Falle, dass Gas in
den Hohlraum 6 eingeleitet wird, werden Poren bevorzugt
in einer durchgängigen
Form, die das Formteil durchsetzten, ausgebildet, um so den Gasdurchfluss
dadurch zu ermöglichen,
wobei das Formteil einen Abschnitt mit geringer Expansion hat.
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2 zeigt schematisiert eine
zweite Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten, leichten Harzformteils
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass, wenn der
bewegliche Kern 3 vorgerückt wird, eine Seitenspalte 9 zwischen der
bewegenden Gussform 2 und dem beweglichen Kern 3 ausgebildet
wird und dass der Hohlraum 6, in den ein geschmolzenes
Harz injiziert wird, durch die Oberfläche der Gussform, der Oberfläche des
beweglichen Kerns 3 und der Oberfläche des vorspringenden Abschnitts 4 ausgebildet
wird. Nach Einspritzen eines geschmolzenen Harzes in den Hohlraum 6 wird
das geschmolzene Harz unter hohem Druck gegen die Oberfläche der
Gussform gepresst, um dadurch die Hauptaußenfläche eines endgültigen Formteils
entlang der Oberfläche
der Gussform auszubilden und so dem Abkühlen durch die Oberfläche der
Gussform und der begleitenden Verfestigung bis zu einem gewissen
Grad ausgesetzt zu werden. Folglich ist, wenn der bewegliche Kern 3 zurückgezogen
wird, die Außenseite,
insbesondere die Seitenfläche
eines Formteils frei von irgendeinem nachteiligen Effekt, der andernfalls
durch das Zurückziehen des
beweglichen Kerns 3 hervorgerufen würde. Die zweite Ausführungsform
verleiht der Seitenfläche des
Formteils verbessertes Aussehen im Vergleich zur ersten Ausführungsform
aus 1.
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3 stellt schematisiert eine
dritte Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten, leichten Harzformteils
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Die dritte Ausführungsform
unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform aus 2 dadurch, dass ein Oberflächenmaterial 10 vorher
auf der Oberfläche
der feststehenden Gussform 1 gegenüber dem beweglichen Kern 3 befestigt
wird. Die dritte Ausführungsform
ist auf die Fertigung eines Formteils ausgelegt, das das Oberflächenmaterial 10 als
darin integrierten Bestandteil aufweist. Da das Oberflächenmaterial 10 an
der feststehenden Gussform 1 befestigt ist, ist eine seitliche Angussöffnung zur
Injizierung eines geschmolzenen Harzes in den Hohlraum 6 vorgesehen.
Ein Gussverfahren ist im Wesentlichen ähnlich dem der zweiten Ausführungsform,
ausgenommen, dass das Oberflächenmaterial 10 an
der feststehenden Gussform 1 befestigt wird; folglich wird
die Beschreibung hierzu weggelassen. Zu beachten ist, dass bei den
oben beschriebenen Ausführungsformen,
um den beweglichen Kern 3 vorzurücken und zurückzuziehen,
beispielsweise eine den Kern bewegende Vorrichtung zwischen der
bewegenden Gussform 2 und einer Unterlage der bewegenden
Gussform angeordnet ist.
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Nachfolgend
werden die Vorteile und Wirkungen der vorliegenden Erfindung anhand
eines Beispiels im Besonderen beschrieben. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch darauf zu beschränken.
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Beispiel 1
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Glasfaserverstärkte Poypropylenpellets
(65 Gewichtsanteile) (enthaltend 3 Gew.-% Maleinsäureanhydrid-Polypropylen),
die parallel angeordnete Glasfasern mit einer Länge von 12 mm in einer Menge
von 60 Gew.-% enthalten und Polypropylenpellets (35 Gewichtsanteile),
die einen Schmelzindex von 30 g/Min. (Schmelzindex: 230°C unter einer
Last von 2,16 kg) werden trocken gemischt, um dadurch ein Gussmaterial
zu erhalten. Ein Spritzgussmaschine (Klemmkraft: 850 t), welche
eine Förderschnecke
mit einer Kompressionsrate von 1,9 aufweist, wurde eingesetzt, um
ein Auftreten von Brüchen
der Glasfasern zu reduzieren. Während
ein beweglicher Kern 3, der vorspringende Abschnitte aufweist,
in den Hohlraum zum Klemmen eingesteckt wurde (ein Spiel D1 zwischen
einer feststehenden Gussform und den vorspringenden Abschnitten
des beweglichen Kerns betrug 4 mm), wurde, wie in 2(A) gezeigt, das Spritzgussmaterial
plastifiziert, abgewogen und in den Hohlraum injiziert. Zwei Sekunden
nach dem Abschluss der Befüllung
mit dem Spritzgussmaterial wurde der bewegliche Kern 3 auf
die in 2(B) dargestellte
Stellung zurückgezogen,
so dass das Spritzgussmaterial gedehnt, expandiert und abgekühlt wurde,
um dabei ein plattenförmiges
(600 mm × 300
mm) Formteil zu erhalten, das eine Dicke (D2) von 8 mm (einen genuteten
Abschnitt: 4 mm × 6
mm × 240
mm) hat. Das Formteil wurde ausgeschnitten, und die Expansion wurde
gemessen und zeigte einen Expansionskoeffizienten von 2,0 in einem
stark expandierten Abschnitt (H1). Das Formteil wurde auch verbrannt
und die durchschnittliche Faserlänge
der verbleibenden Fasern wurde gemessen und zu 7,2 mm bestimmt.
Die innere Umfangskante, periphere Kante und die Flächen der
Kanten des genuteten Abschnitts wurden aus einer dichten Schicht
ausgebildet, die im Wesentlichen keine Expansion aufwies. Insbesondere
der genutete Bereich hatte die Funktion einer Rippe.
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Beispiel 2
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Der
Spritzguss wurde unter Verwendung des Spritzgussmaterials und der
Spritzgussmaschine, die in Beispiel 1 verwendet wurden, und der
in 3 gezeigten Gussformen
durchgeführt.
Ein Oberflächenmaterial
(zehnfach geschäumte
Polypropylen-/Polyvinylchlorid-Leder: 2 mm) wurde auf der Oberfläche einer
in 3(A) gezeigten, feststehenden
Gussform aufgebracht, während
ein beweglicher Kern hineingesteckt wurde; ein geschmolzenes Harz
wurde eingespritzt, während
ein Spiel abzüglich
der Dicke des Oberflächenmaterials
(D1) auf 2 mm eingestellt wurde; und der bewegliche Kern wurde auf
die Position zurückgezogen,
bei der die in 3(B) gezeigte
Dicke (D2) abzüglich
der Dicke des Oberflächenmaterials
12 mm betrug, so dass das geschmolzene Harz gedehnt und expandiert
wurde. Zwei Sekunden nach Beginn des Zurückziehens des beweglichen Kerns wurde
mit gasförmigem
Stickstoff durch ein Gasanschluss bei einem Druck von 0,8 MPa für 30 Sekunden
befüllt.
Nach dem Auskühlen
wurden die Gussformen geöffnet,
und ein plattenförmiges
(12 mm (abzüglich
der Dicke des Oberflächenmaterials) × 600 mm × 300 mm)
Formteil mit dem Oberflächenmaterial
(ein genuteter Bereich: 10 mm × 8
mm × 250
mm) wurde entfernt. Das Formteil wurde ausgeschnitten, und die Expansion
wurde gemessen, und zeigte einen Expansionskoeffizienten von etwa
6 in einem stark expandierten Abschnitt (H1). Das Formteil wurde
auch verbrannt und die durchschnittliche Faserlänge der verbleibenden Fasern
wurde gemessen und zu 6,9 mm bestimmt. Die innere, Umfangskante, periphere
Kante und die Flächen
der Kanten des genuteten Abschnitts wurden aus einer starken Schicht ausgebildet,
die im Wesentlichen keine Expansion aufwies. Insbesondere der genutete
Bereich hatte die Funktion einer Rippe.