EP3036274A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem polymermaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem polymermaterial

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EP3036274A1
EP3036274A1 EP14758512.9A EP14758512A EP3036274A1 EP 3036274 A1 EP3036274 A1 EP 3036274A1 EP 14758512 A EP14758512 A EP 14758512A EP 3036274 A1 EP3036274 A1 EP 3036274A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber structure
polymer
semifinished product
component
injection mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14758512.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Radtke
Oliver Geiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP14758512.9A priority Critical patent/EP3036274A1/de
Publication of EP3036274A1 publication Critical patent/EP3036274A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
    • B29C45/14631—Coating reinforcements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
    • B29C45/14778—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles the article consisting of a material with particular properties, e.g. porous, brittle
    • B29C45/14786—Fibrous material or fibre containing material, e.g. fibre mats or fibre reinforced material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a component from a polymer material by an injection molding method, comprising the following steps:
  • fiber reinforced polymer components are used in areas where materials of high strength and lower weight than metals are to be used.
  • components made of fiber-reinforced polymers are used in the automotive industry to reduce the mass of vehicles and thus the Kraftstoffverbrach.
  • thermoset materials so-called orga- nobleche, ie fully consolidated continuous fiber-reinforced thermoplastic polymers with fabric or scrim reinforcement, are being used more and more recently.
  • orga- nobleche ie fully consolidated continuous fiber-reinforced thermoplastic polymers with fabric or scrim reinforcement.
  • These organic sheets can be injected by injection molding with polymers, if the organic sheets are thin enough or are heated above the melting temperature.
  • the object of the present invention is to provide a method for the production of fiber-reinforced components with which components with a small wall thickness can also be produced by overmolding or overmolding a fiber structure or a fiber structure containing a hemisphere, wherein the wall thickness is less than in the methods known from the prior art.
  • the object is achieved by a method for producing a component from a polymer material by an injection molding method, which comprises the following steps:
  • flow channels for the polymer in the tool in areas where the fiber structure or the semifinished product containing the fiber structure lies and the polymer thus flows over the fiber structure or the semifinished product containing the fiber structure have a height with which wall thicknesses in the range of 0, 5 to 2.5 mm, preferably in the range of 1 to 2 mm.
  • fiber structure is understood as meaning a woven fabric, a knitted fabric, a scrim, a unidirectional or bidirectional fiber structure made of continuous fibers or disordered fibers, the fiber structure being impregnated with a polymer.
  • the fiber structure is a scrim
  • individual fibers may be arranged in multiple layers of parallel fibers, wherein the individual layers may have a direction rotated towards one another. It is particularly preferred if the fibers of the individual layers are rotated at an angle of 30 ° -90 ° to each other.
  • an increase in the tensile strength of the molding in several directions is achieved. In a unidirectional orientation, an increase in the tensile strength is achieved in particular in the direction of the fiber orientation.
  • An increase in the compressive strength of the component from the molded part is also achieved transversely to the orientation of the fibers.
  • the fiber structure comprises a woven or knitted fabric, it is possible to provide multiple layers or only one layer of fibers.
  • multiple layers mean that multiple fabrics are to be stacked. The same applies to an arrangement of the fiber structure as a knitted fabric.
  • Suitable fibers that can be used to increase the stability of the components are, in particular, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, metal fibers, polymer fibers, potash and titanate fibers, boron fibers, basalt fibers or other mineral fibers. It is particularly preferred if at least some of the fibers used are metal fibers. Particularly suitable as metal fibers are fibers based on iron-containing metals, in particular based on steel.
  • the fibrous structure includes steel cords, steel wires or steel fibers.
  • the fiber structure may contain exclusively steel cords, steel wires or steel fibers. or a mixture of steel cords, steel wires or steel fibers and of non-metallic fibers, particularly preferably carbon fibers or glass fibers.
  • steel cords, steel wires or steel fibers has the advantage that in particular a high tensile strength of the molded parts thus produced is achieved.
  • a significant advantage of using steel cords is ensuring component integrity in crash or impact loading where a glass or carbon fiber reinforced structure would lose its integrity.
  • a mixture of metal fibers and carbon fibers or glass fibers for reinforcement it is possible, for example, to interweave individual steel cords, steel wires or steel fibers with carbon fibers or glass fibers.
  • different fibers can be inserted in the form of a jelly in the tool. In this case, the fibers can be inserted either alternately or in any statistically distributed order. It is also possible, for example, to introduce fibers from one material in one direction and fibers from another material in a direction rotated to this direction.
  • steel cords steel wires or steel fibers
  • they are interwoven with glass fibers or carbon fibers to obtain a fabric.
  • a uniform reinforcement of the molded part can then be achieved, for example, by arranging the individual fabrics twisted in multiple layers.
  • two layers that are rotated by 90 ° to each other can be used.
  • any other angle is possible.
  • more than two layers can be used.
  • the use of metal fibers, for example in the form of steel cords, steel wires or steel fibers together with fibers of another material, for example carbon fibers or glass fibers, allows molded parts to be produced with improved failure behavior.
  • a semifinished product it is possible, for example, to impregnate the fiber structure with a polymer material, in particular a thermoplastic polymer.
  • a polymer material in particular a thermoplastic polymer.
  • polymer precursor compounds for example monomers
  • the fiber structure is impregnated with a polymer precursor compound and subsequently the fiber structure so impregnated is encapsulated with a further polymer precursor compound
  • the polymer used to produce the semifinished product is the same as the polymer used for encapsulation or overspotting.
  • the use of different polymers is particularly advantageous if certain properties, for example with regard to surface quality or strength, are to be achieved by overmoulding or overspotting.
  • thermoplastic polymers are, for example, polymethyl methacrylate, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyether ether ketone, polyether ketone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, polyamide, polypropylene, polyethylene or mixtures of at least two of these polymers.
  • a semifinished product containing a fibrous structure is used to produce the component, it is possible to use a semifinished product in which the fiber structure is impregnated with a polymer, the polymer being completely polymerized. Alternatively, it is also possible to use a semifinished product which has been impregnated with a polymer precursor compound and the polymer precursor compound has solidified but not yet fully polymerized. In this case, the precursor compound polymerizes, for example, in the mold.
  • the semifinished product containing the fibrous structure is in particular a fabric in which the fabric structure is impregnated with the polymer or a polymer precursor compound.
  • a sheet is, for example, an organic sheet or a thermoplastic laminate.
  • functional parts are produced on the component with the encapsulation or overmolding in step (b).
  • Such functional elements are for example ribs, as they are usually formed to reinforce a component of a polymer material.
  • the functional elements can also be, for example, fixtures for fastening elements, clips, force injections, screw-on domes, threaded receptacles or any other functional elements which can be produced by injection molding from the polymer material.
  • the injected polymer between the functional elements forms a closed skin on the fiber structure or the semifinished product containing the fiber structure.
  • an additional stabilization of the functional elements is achieved by the closed skin between the functional elements.
  • the closed skin is thereby formed by forming a thin flow channel between the functional elements and injecting the polymer material into the flow channel.
  • the formation of the skin on the fiber structure or the semifinished product containing the fiber structure additionally produces an improved connection of the polymer material for the functional element with the fiber structure or the semifinished product containing the fiber structure.
  • the primer can serve, for example, as a bonding agent between the fiber structure and polymers.
  • a soluble polyamide is suitable. This is applied in the form of a solution and then the solvent is removed.
  • a soluble polyamide is particularly suitable if a component made of a fiber-reinforced polyamide is to be produced by the method according to the invention.
  • the semifinished product containing the fibrous structure is preheated.
  • Preheating softens the polymer material of the semifinished product and the injected thermoplastic polymer can weld to the polymer material of the semifinished product and in this way form a dimensionally stable connection.
  • the preheating of the semifinished product further allows the semifinished product to be formed before or during insertion into the injection mold.
  • the forming of the semifinished product is required, for example, in order to adapt a flat semifinished product to the component shape to be produced.
  • the preheating of the semifinished product containing the fibrous structure can be carried out, for example, in the injection mold for producing the encapsulation or overmolding.
  • the semifinished product containing the fibrous structure is inserted into the injection mold and the injection mold is heated, so that the inserted semifinished product containing the fibrous structure is also leveled. if heated.
  • the heating can be carried out in any manner known to those skilled in the art.
  • any device known to those skilled in the art can be used with which the semifinished product containing the fiber structure can be heated.
  • it is possible, for example, to electrically heat the tool containing the fiber structure to heat it by heat radiation, to heat it by microwave radiation or to hang it up on a heated plate for heating.
  • the temperature to which the semifinished product containing the fibrous structure is heated is preferably chosen such that the polymer of the semifinished product softens. In this case, furthermore, the temperature is preferably selected so that the polymer does not melt completely, so that no polymer can run out of the semifinished product and in this way the semifinished product is damaged.
  • additives can be added.
  • Commonly used additives are, for example, hardeners, crosslinkers, plasticizers, catalysts, toughening agents, adhesion promoters, fillers, mold release agents, blends with other polymers, stabilizers or mixtures of two or more of these components.
  • Additives or optionally also comonomers which can be used to adjust the properties of the polymer are known to the person skilled in the art.
  • the component produced by the method according to the invention is particularly advantageously a structural component, a bulkhead, a floor assembly, a battery carrier, a side impact carrier, a bumper system, a structural insert or a pillar reinforcement in a motor vehicle.
  • the component can, for example, also be a side wall, a structural fender, a side member or any other component of a vehicle body.
  • the component according to the invention may also be a housing of a rock mill, a protective cage or a housing for a lathe or pressing machine, or a support structure.
  • the method according to the invention makes it possible to produce components with more robust structures than has hitherto been possible from the prior art.
  • the method according to the invention is also particularly suitable for providing the component with a so-called in-mold coating.
  • the surface coating of the component is generated directly in the injection mold.
  • conventional coating method is thereby a good adhesion of the coating material obtained on the molding and thus achieved a particularly high quality coating.
  • thermoplastic polymer in step (b) takes place according to the invention under the usual parameters for injection molding.
  • the use of the polymer-soaked fiber structure has a positive effect on the run length of the polymer in the flow channels. It can be sprayed with a few sprues larger areas than would be expected.
  • the polymer is injected at a lower pressure than would have been expected on the basis of the methods known from the prior art. Even with a lower injection pressure, a complete, defect-free filling of the mold can be achieved if, according to the invention, a semi-finished product containing a fibrous structure or a polymer-impregnated fibrous structure is inserted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Polymermaterial durch ein Spritzgießverfahren, das folgende Schritte umfasst: (a) Einlegen eines eine Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder einer polymergetränkten Faserstruktur in ein Spritzgießwerkzeug, (b) Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers in das Spritzgießwerkzeug, um eine Umspritzung oder Überspritzung des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder der Faserstruktur zu erhalten, (c) Erstarrenlassen des Polymers und Entnahme des Bauteils aus dem Spritzgießwerkzeug, wobei die Faserstruktur oder das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug umgebende Fließkanäle für das geschmolzene Polymer so dimensioniert sind, dass die Wanddicke des fertigen Bauteils der Wanddicke entspricht, die für ein Bauteil ohne eingelegte Faserstruktur erzielbar ist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Polymermaterial Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Polymermaterial durch ein Spritzgießverfahren, das folgende Schritte umfasst:
(a) Einlegen eines eine Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder einer Faserstruktur in ein Spritzgießwerkzeug,
(b) Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers in das Spritzgießwerkzeug, um eine Umspritzung oder Überspitzung des Halbzeugs oder der Faserstruktur zu erhalten,
(c) Erstarrenlassen des Polymers und Entnahme des Polymers aus dem Spritzgießwerkzeug.
Bauteile aus faserverstärkten Polymeren finden zum Beispiel Einsatz in Bereichen, in denen Werkstoffe mit hoher Festigkeit und geringerem Gewicht als Metalle eingesetzt werden sollen. Insbesondere finden Bauteile aus faserverstärkten Polymeren Einsatz im Automobilbau, um die Masse von Fahrzeugen zu senken und damit den Kraftstoffverbrach.
Zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Polymeren ist es bekannt, zunächst Fasern in ein Formwerkzeug einzulegen und diese anschließend mit den Polymeren zu umspritzen. Bei gängigen Spritzgießverfahren, bei denen Fasern in ein Formwerkzeug eingelegt und anschließend umspritzt werden, werden Fließkanäle eingestellt, deren Dicke im Wesentlichen der Wanddicke eines Bauteils ohne Faserverstärkung entspricht. Hierdurch sind die durch Umspritzung von Fasern erzeugten Bauteile immer mit einer größeren Minimalwanddicke hergestellt als Bauteile ohne Faserverstärkung. Wenn eine dünne Umspritzung erzeugt werden soll, ist nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eine größere Anzahl an Angüssen zur Erzielung kürzerer Fließstrecken notwendig. Zudem werden zum Einspritzen des Polymermaterials für die Umspritzung oder Überspitzung hohe Fülldrücke eingesetzt, die weiterhin insbesondere beim Einsatz von Fasern dazu führen können, dass die eingesetzten Gewebe zur Faserverstärkung durch Fließeffekt verschoben und deformiert werden.
Neben faserverstärkten duroplastischen Werkstoffen werden in letzter Zeit sogenannte Orga- nobleche, das heißt vollkonsolidierte endlosfaserverstärkte thermoplastische Polymere mit Gewebe- oder Gelegeverstärkung verstärkt eingesetzt. Diese Organobleche können im Spritzgießverfahren mit Polymeren durchspritzt werden, wenn die Organobleche dünn genug sind oder über Schmelztemperatur aufgeheizt werden.
Weiterhin werden insbesondere bei Einsatz von Spritzgießverfahren zur Herstellung der Bauteile hohe Fülldrücke benötigt, um große Druckverluste beim Durchspritzen des Gewebes ausglei- chen zu können. Abschließend führt das Verschieben des Gewebes durch Fließeffekte dazu, dass das Gewebe aus der intendierten Richtung gebracht wird. Bei Verwendung von Stahlgeweben oder Steelcords, die im Unterschied zu Organoblechen nicht vollkonsolidiert vorliegen müssen, kann das Gewebe an die Werkzeugwand und damit an die Bauteiloberfläche gedrängt werden und freiliegen oder durch Fließeffekte verschoben werden. Insbesondere bei Stahlgeweben hat dies den Nachteil, dass durch freiliegenden Stahl Korrosionsprobleme auftreten können. Beim Überspritzen von Stahlgewebe ist zudem eine minimale Wandstärke notwendig, die deutlich größer ist als die Dicke des Gewebes, um ein vollständiges Umschließen des Gewebes mit dem Polymermaterial zu erhalten. Dies führt zu einer Vergrößerung der Materialmenge und damit zu Nachteilen bei der Verwendung der faserverstärkten Polymere im Leichtbau.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen bereitzustellen, mit dem auch Bauteile mit einer geringen Wandstärke durch Umsprit- zung oder Überspritzung einer Faserstruktur oder eines eine Faserstruktur enthaltenden Halb- zeugs erzeugt werden können, wobei die Wanddicke geringer ist als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Polymermaterial durch ein Spritzgießverfahren, das folgende Schritte umfasst:
(a) Einlegen eines eine Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder einer polymergetränkten Faserstruktur in ein Spritzgießwerkzeug,
(b) Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers in das Spritzgießwerkzeug, um eine Umspritzung oder Überspritzung des Halbzeugs oder der Faserstruktur zu erhalten,
(c) Erstarrenlassen des Polymers und Entnahme des Bauteils aus dem Spritzgießwerkzeug, wobei die Faserstruktur oder das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug umgebende Fließkanäle für das geschmolzene Polymer so dimensioniert sind, dass die Wanddicke des fertigen Bauteils der Wanddicke entspricht, die für ein Bauteil ohne eingelegte Faserstruktur erzielbar ist. Die Einstellung der geringen Wanddicken und damit die geringe Dimensionierung der Fließkanäle ist möglich, da sich überraschenderweise gezeigt hat, dass beim Überspritzen von eine Faserstruktur enthaltenden Halbzeugen oder Faserstrukturen beobachtet wurde, dass die erzielbaren Fließlängen größer waren als ohne eingelegte Faserstruktur enthaltende Halbzeuge oder Faserstrukturen. Somit war es möglich, auch dünnere Fließkanäle zu füllen und die Wand- stärke zu verringern. Zudem hat sich gezeigt, dass aufgrund der größeren erzielbaren Fließlängen auch geringere Fülldrücke benötigt werden, sodass hierdurch auch ein Verschieben der Faserstruktur reduziert wird. Vorzugsweise weisen Fließkanäle für das Polymer im Werkzeug in Bereichen, in denen die Faserstruktur oder das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug liegt und das Polymer somit über die Faserstruktur oder das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug fließt, eine Höhe auf, mit der sich Wandstärken im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 mm realisie- ren lassen.
Durch die Umspritzung oder Überspitzung der Faserstruktur oder des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs ist es möglich, zum Beispiel Bauteile mit einer definierten Oberflächenstruktur herzustellen. Weiterhin ist es auch möglich, die Umspritzung oder Überspitzung mit Funkti- onselementen, beispielsweise Rippen zu gestalten, sodass durch die Umspritzung oder Überspitzung die entsprechenden Funktionselemente an das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug oder die Faserstruktur ausgeformt werden, um ein entsprechend geformtes Bauteil zu erhalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Faserstruktur ein Gewebe, ein Gestrick, ein Gelege, eine unidirektionale oder bidirektionale Faserstruktur aus Endlosfasern oder ungeordnete Fasern verstanden, wobei die Faserstruktur mit einem Polymer getränkt ist. Hierzu ist es sowohl möglich, die Faserstruktur zu tränken als auch die Fasern, aus denen die Faserstruktur hergestellt wird. Insbesondere, wenn die Faserstruktur ein Gelege ist, so können einzelne Fa- sern in mehreren Lagen aus parallelen Fasern angeordnet sein, wobei die einzelnen Lagen eine zueinandergedrehte Richtung aufweisen können. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Fasern der einzelnen Lagen in einem Winkel von 30°-90° zueinander gedreht sind. Durch die zueinander gedrehte Ausrichtung der einzelnen Lagen zueinander wird eine Erhöhung der Zugfestigkeit des Formteils in mehreren Richtungen erzielt. Bei einer unidirektionalen Ausrichtung wird insbesondere in Richtung der Faserausrichtung eine Erhöhung der Zugfestigkeit erzielt. Eine Erhöhung der Druckfestigkeit des Bauteils aus dem Formteil wird auch quer zur Ausrichtung der Fasern erreicht.
Auch wenn die Faserstruktur ein Gewebe oder ein Gestrick umfasst, ist es möglich, mehrere Lagen oder nur eine Lage an Fasern vorzusehen. Bei einem Gewebe bedeuten mehrere Lagen, dass mehrere Gewebe übereinander angeordnet werden sollen. Entsprechendes gilt auch für eine Anordnung der Faserstruktur als Gestrick.
Geeignete Fasern, die zur Erhöhung der Stabilität der Bauteile eingesetzt werden können, sind insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Metallfasern, Polymerfasern, Kali- und Titanatfasern, Borfasern, Basaltfasern oder andere Mineralfasern. Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest ein Teil der eingesetzten Fasern Metallfasern sind. Als Metallfasern eignen sich insbesondere Fasern auf Basis von eisenhaltigen Metallen, insbesondere auf Basis von Stahl.
In einer Ausführungsform enthält die Faserstruktur Stahlcords, Stahldrähte oder Stahlfasern. Hierbei kann die Faserstruktur ausschließlich Stahlcords, Stahldrähte oder Stahlfasern enthal- ten oder eine Mischung aus Stahlcords, Stahldrähten oder Stahlfasern und aus nichtmetallischen Fasern, besonders bevorzugt Kohlenstofffasern oder Glasfasern.
Der Einsatz von Stahlcords, Stahldrähten oder Stahlfasern hat den Vorteil, dass insbesondere eine hohe Zugfestigkeit der so hergestellten Formteile erzielt wird. Insbesondere bei Einsatz im Fahrzeugbau ist ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von Stahlcords die Gewährleistung der Bauteilintegrität bei Zusammenstoß- oder Aufprallbelastung, wo eine Glas- oder Karbonfaserverstärkte Struktur ihre Integrität verlieren würde. Besonders bevorzugt ist es, zur Verstärkung eine Mischung aus Metallfasern und Kohlenstofffasern oder Glasfasern einzusetzen. In diesem Fall ist es zum Beispiel möglich, einzelne Stahlcords, Stahldrähte oder Stahlfasern mit Kohlenstofffasern oder Glasfasern zu verweben. Alternativ können auch unterschiedliche Fasern in Form eines Geleges in das Werkzeug eingelegt werden. Hierbei können die Fasern entweder alternierend oder in beliebiger statistisch verteilter Reihenfolge eingelegt werden. Auch ist es möglich, zum Beispiel Fasern aus jeweils einem Material in eine Richtung einzule- gen und Fasern aus einem anderen Material in einer zu dieser Richtung gedrehten Richtung.
Insbesondere bei Einsatz von Stahlcords, Stahldrähten oder Stahlfasern ist es bevorzugt, wenn diese mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern miteinander verwebt werden, um ein Gewebe zu erhalten. Eine gleichmäßige Verstärkung des Formteils kann dann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass die einzelnen Gewebe zueinander verdreht in mehreren Lagen angeordnet werden. So können zum Beispiel zwei Lagen, die zueinander um 90° verdreht sind eingesetzt werden. Alternativ ist auch ein beliebiger anderer Winkel möglich. Auch können mehr als zwei Lagen eingesetzt werden. Die Verwendung von Metallfasern, beispielsweise in Form von Stahlcords, Stahldrähten oder Stahlfasern zusammen mit Fasern aus einem anderen Material, beispielsweise Kohlenstofffasern oder Glasfasern, erlaubt es, dass Formteile mit einem verbesserten Versagensverhalten hergestellt werden. Zur Herstellung eines Halbzeugs ist es zum Beispiel möglich, die Faserstruktur mit einem Polymermaterial, insbesondere einem thermoplastischen Polymer zu tränken. Hierzu ist es auch möglich, Polymervorläuferverbindungen, beispielsweise Monomere einzusetzen, die Fasern mit den Monomeren zu tränken und anschließend die getränkte Faserstruktur zumindest teilweise durch Auspolymerisation auszuhärten.
Durch das Tränken der Faserstruktur mit der Polymervorläuferverbindung wird eine vollständige Benetzung unabhängig von nachfolgenden Formgebungsverfahren erzielt. Die so getränkte Faserstruktur kann dann in einem nächsten Schritt zur Herstellung des Halbzeuges mit einer weiteren Polymervorläuferverbindung umspritzt werden. Durch das Tränken der Faserstruktur mit der Polymervorläuferverbindung wird beim Umspritzen eine bessere Haftung der Polymervorläuferverbindung mit der die Faserstruktur umspritzt wird, erzielt. Wenn kein weiteres Umspritzen mit einer Polymervorläuferverbindung erfolgt ergibt sich weiterhin auch eine verbesser- te Haftung mit dem thermoplastischen Polymer, mit dem das Halbzeug in Schritt (b) umspritzt wird.
Wenn zur Herstellung des Halbzeuges zunächst die Faserstruktur mit einer Polymervorläufer- Verbindung getränkt wird und anschließend die so getränkte Faserstruktur mit einer weiteren Polymervorläuferverbindung umspritzt wird, ist es möglich, zum Tränken und zum Umspritzen unterschiedliche Polymervorläuferverbindungen einzusetzen. In diesem Fall ist es im Allgemeinen notwendig, die Polymervorläuferverbindung, die zum Tränken der Faserstruktur eingesetzt wurde, zunächst auszuhärten und dann im nächsten Schritt die bereits getränkte und ausgehär- tete Faserstruktur in das Formwerkzeug für das Umspritzen der nächsten Polymervorläuferverbindung einzulegen. Alternativ ist es auch möglich, ein Halbzeug mit eingefrorener oder teilpo- lymerisierter Polymervorläuferverbindung zur Herstellung eines Formteils anschließend mit einer weiteren Polymervorläuferverbindung zum Umspritzen.
Wenn ein eine Faserstruktur enthaltendes Halbzeug eingesetzt wird, so ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das zur Herstellung des Halbzeugs eingesetzte Polymer das Gleiche ist, wie das Polymer, das zur Umspritzung oder Überspitzung eingesetzt wird. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zur Herstellung des Halbzeugs ein anderes Polymer einzusetzen als für die Umspritzung oder Überspitzung. Der Einsatz unterschiedlicher Polymere ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn durch die Umspritzung oder Überspitzung bestimmte Eigenschaften zum Beispiel hinsichtlich der Oberflächenqualität oder der Festigkeit erzielt werden sollen.
Zur Herstellung des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeuges und auch zur Herstellung der Umspritzung oder Überspitzung kann jedes beliebige, dem Fachmann bekannte thermoplastische Polymer eingesetzt werden. Bevorzugte thermoplastische Polymere sind beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Poly- etheretherketon, Polyetherketon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, Polyethylennaphthalat, Polybutylennaphthalat, Polyamid, Polypropylen, Polyethylen oder Mischungen aus mindestens zwei dieser Polymere.
Wenn zur Herstellung des Bauteils ein eine Faserstruktur enthaltendes Halbzeug verwendet wird, so ist es möglich, ein Halbzeug einzusetzen, bei dem die Faserstruktur mit einem Polymeren getränkt ist, wobei das Polymer vollständig auspolymerisiert ist. Alternativ ist es auch möglich, ein Halbzeug einzusetzen, das mit einer Polymervorläuferverbindung getränkt wurde und die Polymervorläuferverbindung erstarrt aber noch nicht auspolymerisiert ist. In diesem Fall po- lymerisiert die Vorläuferverbindung beispielsweise im Formwerkzeug aus.
Wenn ein eine Faserstruktur enthaltendes Halbzeug eingesetzt wird, so ist das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug insbesondere ein Flächengebilde, bei dem die Gewebestruktur mit dem Polymeren oder einer Polymervorläuferverbindung getränkt ist. Ein solches Flächengebilde ist zum Beispiel ein Organoblech oder ein thermoplastisches Laminat. In einer Ausführungsform der Erfindung werden mit der Umspritzung oder Überspritzung in Schritt (b) Funktionselemente am Bauteil erzeugt. Derartige Funktionselemente sind zum Beispiel Rippen, wie sie zur Verstärkung eines Bauteils aus einem Polymermaterial üblicherweise angeformt werden. Neben Rippen können die Funktionselemente zum Beispiel auch Aufnah- men für Befestigungselemente, Clips, Krafteinleitungen, Anschraubdome, Gewindeaufnahmen oder beliebige andere Funktionselemente sein, die durch das Spritzgießverfahren aus dem Polymermaterial hergestellt werden können.
Um eine erhöhte Festigkeit zu erhalten ist es weiterhin bevorzugt, wenn das eingespritzte Po- lymer zwischen den Funktionselementen eine geschlossene Haut auf der Faserstruktur oder dem die Faserstruktur enthaltenden Halbzeug bildet. Insbesondere wenn mehrere nebeneinander liegende Funktionselemente ausgeformt werden, wird durch die geschlossene Haut zwischen den Funktionselementen eine zusätzliche Stabilisierung der Funktionselemente erzielt. Die geschlossene Haut wird dabei dadurch gebildet, dass ein dünner Fließkanal zwischen den Funktionselementen ausgebildet wird und das Polymermaterial in den Fließkanal eingespritzt wird. Durch die Ausbildung der Haut auf der Faserstruktur oder dem die Faserstruktur enthaltenden Halbzeug wird zusätzlich eine verbesserte Verbindung des Polymermaterials für das Funktionselement mit der Faserstruktur beziehungsweise dem die Faserstruktur enthaltenden Halbzeug erzeugt.
Für eine verbesserte Haftung des in Schritt (b) eingespritzten Polymeren an der Faserstruktur beziehungsweise an dem die Faserstruktur enthaltenden Halbzeug zu erhalten, ist es weiterhin möglich, die Faserstruktur, beziehungsweise das Halbzeug vor dem Umspritzen mit einer Grundierung vorzubehandeln. Die Grundierung kann dabei zum Beispiel auch als Haftvermittler zwischen Faserstruktur und Polymeren dienen. Als Material für die Grundierung eignet sich zum Beispiel ein lösliches Polyamid. Dieses wird in Form einer Lösung aufgebracht und anschließend das Lösungsmittel entfernt. Ein lösliches Polyamid eignet sich insbesondere dann, wenn durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Bauteil aus einem faserverstärkten Polyamid hergestellt werden soll.
Insbesondere wenn ein eine Faserstruktur enthaltendes Halbzeug zur Herstellung des Bauteils eingesetzt wird, ist es bevorzugt, wenn das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug vorgeheizt wird. Durch das Vorheizen wird das Polymermaterial des Halbzeugs erweicht und das eingespritzte thermoplastische Polymer kann mit dem Polymermaterial des Halbzeugs verschweißen und auf diese Weise eine formstabile Verbindung eingehen. Das Vorheizen des Halbzeugs ermöglicht weiterhin, dass das Halbzeug vor oder während des Einlegens in das Spritzgießwerkzeug umgeformt wird. Das Umformen des Halbzeugs ist zum Beispiel erforderlich, um ein flächiges Halbzeug an die herzustellende Bauteilform anzupassen. Das Vorheizen des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs kann zum Beispiel im Spritzgießwerkzeug zur Herstellung der Umspritzung oder Überspritzung erfolgen. Hierzu wird das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und das Spritzgießwerkzeug erwärmt, sodass das eingelegte, die Faserstruktur enthaltende Halbzeug eben- falls erwärmt wird. Die Erwärmung kann dabei auf jede beliebige, dem Fachmann bekannte Weise erfolgen. So ist es zum Beispiel möglich, das Spritzgießwerkzeug elektrisch oder mit einem Wärmeträger zu beheizen. Alternativ ist es auch möglich, das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug vor dem Einlegen in das Spritzgießwerkzeug zu erwärmen. In diesem Fall kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte Vorrichtung genutzt werden, mit der das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug erwärmt werden kann. So ist es zum Beispiel möglich, das die Faserstruktur enthaltende Werkzeug elektrisch zu erwärmen, durch Wärmestrahlung zu erwärmen, durch Mikrowellenstrahlung zu erwärmen oder auch auf eine beheizte Platte zur Erwärmung aufzulegen.
Die Temperatur, auf die das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug erwärmt wird, wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass das Polymer des Halbzeuges erweicht. Hierbei ist weiterhin vorzugsweise die Temperatur so gewählt, dass das Polymer noch nicht vollständig schmilzt, sodass kein Polymer aus dem Halbzeug ablaufen kann und auf diese Weise das Halbzeug beschädigt wird.
Um die Eigenschaften des Polymeren sowohl des Polymeren eines eingesetzten Halbzeuges als auch des Polymeren, mit dem die Umspritzung oder Überspritzung erzeugt wird, einzustel- len, können Additive zugegeben werden. Üblicherweise eingesetzte Additive sind zum Beispiel Härter, Vernetzer, Weichmacher, Katalysatoren, Zähmodifikatoren, Haftvermittler, Füller, Ent- formungshilfsmittel, Blends mit anderen Polymeren, Stabilisatoren oder Mischungen zweier o- der mehrerer dieser Komponenten. Additive oder gegebenenfalls auch Comonomere, die zur Einstellung der Eigenschaften des Polymeren eingesetzt werden können, sind dem Fachmann bekannt.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteil ist besonders vorteilhaft ein Strukturbauteil, eine Schottwand, eine Bodengruppe, ein Batterieträger, ein Seitenaufprallträ- ger, ein Stoßfängersystem, ein Strukturinsert oder eine Säulenverstärkung in einem Kraftfahr- zeug. Weiterhin kann das Bauteil zum Beispiel auch eine Seitenwand, ein struktureller Kotflügel, ein Längsträger oder ein beliebiges anderes Bauteil einer Fahrzeugkarosserie sein.
Neben dem Einsatz als Bauteil in einem Kraftfahrzeug kann das erfindungsgemäße Bauteil auch ein Gehäuse einer Gesteinsmühle, ein Schutzkäfig oder ein Gehäuse für eine Drehma- schine oder Pressmaschine, oder eine Trägerstruktur sein. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Bauteile mit robusteren Strukturen herzustellen, als dies aus dem Stand der Technik bislang möglich gewesen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aufgrund der Möglichkeit der Herstellung beson- ders dünner Strukturen besonders auch dazu, das Bauteil mit einem sogenannten In-Mold- Coating zu versehen. Hierzu wird die Oberflächenbeschichtung des Bauteils direkt im Spritzgießwerkzeug erzeugt. Im Unterschied zu üblichen Beschichtungsverfahren wird hierdurch eine gute Haftung des Beschichtungsmaterials am Formteil erhalten und damit eine besonders qualitativ hochwertige Beschichtung erzielt.
Das Einspritzen des thermoplastischen Polymeren in Schritt (b) erfolgt erfindungsgemäß unter den für Spritzguss üblichen Parametern. Insbesondere wenn durch das erfindungsgemäße Verfahren Bauteile mit dünnen Wanddicken hergestellt werden sollen, wirkt sich der Einsatz der polymergetränkten Faserstruktur positiv für die Lauflänge des Polymeren in den Fließkanälen aus. Es lassen sich mit wenigen Angüssen größere Bereiche überspritzen als dies zur erwarten wäre. Weiterhin ist es möglich, insbesondere wenn Bauteile mit größeren Wanddicken herge- stellt werden sollen, dass das Polymer mit einem geringeren Druck eingespritzt wird, als dies aufgrund der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erwartet worden wäre. Bereits mit einem geringeren Einspritzdruck kann eine vollständige, fehlerfreie Füllung des Formwerkzeugs erzielt werden, wenn erfindungsgemäß ein eine Faserstruktur enthaltendes Halbzeug oder eine polymergetränkte Faserstruktur eingelegt ist.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Polymermaterial durch ein Spritzgießverfahren, folgende Schritte umfassend:
(a) Einlegen eines eine Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder einer polymergetränkten Faserstruktur in ein Spritzgießwerkzeug,
(b) Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers in das Spritzgießwerkzeug, um eine Umspritzung oder Überspritzung des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs oder der Faserstruktur zu erhalten,
(c) Erstarrenlassen des Polymers und Entnahme des Bauteils aus dem Spritzgießwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass Fließkanäle, die die Faserstruktur oder das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug umgeben, für das geschmolzene Polymer maximal so dimensioniert sind, dass die Wanddicke des fertigen Bauteils der Wanddicke entspricht, die für ein Bauteil ohne eingelegte Faserstruktur erzielbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das eine Faserstruktur enthaltende Halbzeug ein Flächengebilde ist, bei dem die Faserstruktur mit einer Polymervorläuferverbindung getränkt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Umspritzung oder Überspritzung in Schritt (b) Funktionselemente am Bauteil erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionselemente Rippen, Clips, Aufnahmen für Befestigungselemente, Krafteinleitungen, Aschraubdome oder Gewindeaufnahmen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespritzte Polymer zwischen den Funktionselementen eine geschlossene Haut auf der Faserstruktur oder dem die Faserstruktur enthaltenden Halbzeug bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug vorgeheizt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen des die Faserstruktur enthaltenden Halbzeugs im Spritzgießwerkzeug zur Herstellung für die Umspritzung oder Überspritzung erfolgt. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug vorgewärmt in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Faserstruktur enthaltende Halbzeug auf eine Temperatur vorgeheizt wird, bei der das Polymer des Halbzeugs erweicht.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug während des Einlegens in das Spritzgießwerkzeug umgeformt wird.
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