WO2009121915A1 - Leichtbauteil sowie verfahren zur herstellung hierfür - Google Patents

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WO2009121915A1
WO2009121915A1 PCT/EP2009/053900 EP2009053900W WO2009121915A1 WO 2009121915 A1 WO2009121915 A1 WO 2009121915A1 EP 2009053900 W EP2009053900 W EP 2009053900W WO 2009121915 A1 WO2009121915 A1 WO 2009121915A1
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reinforcing
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    • B29L2031/5227—Clubs

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a lightweight component and to a corresponding lightweight component.
  • the present invention relates to a sports equipment, e.g. a hockey stick and a method of making the same.
  • the present invention is described below using the example of the production of a hockey stick or hockey stick, although the method according to the invention could also be used to produce other articles.
  • the method is particularly suitable for the production of lightweight special components which, due to their dimensions and / or their mechanical properties, can generally not be produced by machine.
  • Hockey sticks are used in field hockey.
  • the racket is used to play the ball and has a long handle and a curved or angled element at the bottom. With this angled element, the actual ball contact is usually made.
  • Hockey sticks are subject to high mechanical requirements. First, they should be as light as possible, but at the same time have a high mechanical strength and rigidity and also be durable and resilient.
  • Hockey sticks are predominantly made of mulberry wood. The usual processing techniques of the wood craft are used.
  • SMC Sheet Molding Compound
  • RTM Resin Transfer Molding
  • SMC mats ie mats made of thermosetting reaction resins and glass fibers
  • the mass together with the isotropically distributed reinforcing fibers, can flow into a closed mold.
  • the thermoset material is crosslinked in the mold so that the racquet is formed.
  • the molding composition z.
  • As a low-viscosity thermoset injected by means of piston via one or more channels in the closed tool.
  • the injected resin fills all voids in the mold, soaks the reinforcing material and wets the entire surface.
  • the molding cures under heat in the tool.
  • the gas injection technique and the water injection technique are known. See, for example, DE 2106546.
  • the mold is only partially filled with the molding material, which solidifies on the cold cavity walls, and then a fluid, e.g. Compressed air or water, introduced into the prefilled area of the cavity.
  • the fluid displaces the still fluid core, forms a cavity and drives the flow front forward until the molding is completely formed.
  • a hockey stick which can be easily used industrially and allows the production of lightweight components with various desired mechanical properties.
  • This object is achieved by a method comprising the steps of: i) providing a tool with a cavity whose inner contour corresponds to the outer contour of the lightweight component to be produced, ii) inserting at least one reinforcing element into the cavity, iii) injecting molten plastic material into the cavity, iv ) Introducing a fluid into the cavity and v) removing the lightweight component.
  • the reinforcing element By injecting the plastic material, the reinforcing element is extrusion-coated or back-injected, so that after the solidification of the melt, the injected plastic material and the reinforcing element form a unit.
  • the cavity is not completely filled with the melt in step iii), but only partially, for example to 50-95%.
  • the fluid (step iv)) is introduced into the cavity.
  • the fluid drives the melt front forward until the cavity is filled.
  • the melt is inflated by the fluid and pressed against the cavity walls, so that a hollow part is formed.
  • the fluid can be removed. If necessary, the fluids Be closed by re-injection of a small amount of the plastic melt.
  • air or water or a combination of both can be used as the fluid.
  • Figure 1 shows schematically such a lightweight component in a perspective sectional view. Clearly visible is the cavity 2, which is surrounded by the solidified molding compound 1.
  • the inventive method proposes that a reinforcing element is inserted into the cavity before the injection of the plastic material.
  • This reinforcing element provides, at the point where it was placed in the mold, for a mechanical reinforcement, so that the mechanical properties of the lightweight component can be precisely adjusted.
  • the molten plastic material used in step iii) is best a thermoplastic material, preferably polyamide 6 or polyamide 6.6, PEEK, PBT, PP or ABS. It is advantageous for many applications if the thermoplastic material is fiber-reinforced, preferably with a fiber content of between 1 and 60%.
  • the reinforcing element which is inserted into the cavity, is advantageously a fiber-reinforced profile element, preferably an extrudate, pultrudate or a high-performance component produced in the winding process.
  • the reinforcing element is preferably made of a thermoplastic material, for.
  • a thermoplastic material for.
  • the reinforcing element is also preferred fiber-reinforced, and more preferably with a fiber content between 1 and 70%. Endless fibers are particularly preferably used for the reinforcing element.
  • the reinforcing element and the molten plastic material are best composed of the same plastic matrix, whereby the glass fiber components may differ.
  • the reinforcing element can be arranged in the cavity such that it is sprayed around or behind.
  • the reinforcing element In overmolding, the reinforcing element is completely surrounded by the injected plastic material after injection of the molten plastic material and introduction of the fluid into the cavity.
  • a surface of the reinforcing element forms part of the surface of the lightweight component to be produced.
  • the reinforcing element is inseparably inserted into the molten plastic material, with one surface of the reinforcing element being exposed.
  • a reinforcing element also has the advantage that its mechanical properties can be selected specifically.
  • the reinforcing element can have varying mechanical properties over its length, width and / or thickness.
  • the thickness of the reinforcing element could vary.
  • the reinforcing element could have sections, with increased fiber content.
  • step ii) at least two reinforcing elements with different borrowed mechanical properties are inserted into the cavity. This makes it possible to adjust the mechanical properties of the lightweight component to be produced exactly to provide a component whose mechanical properties vary along its extent.
  • step iv) the fluid pressure is varied to vary the wall thickness of the component.
  • the resulting from the fluid cavity is at least partially filled with foam.
  • the proposed method can be made with just one shape almost any number of different hockey sticks. The adaptation of the hockey stick to the individual needs essentially takes place via the selection of the (or) reinforcing element and / or the fluid pressure during step iv) and optionally via the selection of the material to be injected.
  • Figure 1 is a perspective sectional view of a lightweight component of the prior art
  • Figure 2 is a perspective sectional view.
  • FIG. 1 shows a perspective sectional view of the lightweight component, as produced, for example, by a gas injection method in the prior art.
  • This lightweight component has substantially homogeneous mechanical properties in the longitudinal direction.
  • the mechanical properties are determined by the plastic material used.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a lightweight component according to the invention.
  • the lightweight component has two reinforcing elements 3 which have been back-injected with the plasticized plastic. These reinforcing elements are preferably arranged at those points of the lightweight component, which are exposed to increased mechanical stress.
  • the use of reinforcing elements has the consequence that the component thickness is increased at those points at which the reinforcing element is positioned, which already leads to an increased rigidity, and secondly the mechanical properties are determined by the mechanical properties of the reinforcing element.
  • the reinforcing element is preferably, in order to achieve a better connection with the injected plastic material, conically tapering in cross section in the direction of the component outer wall, as can be seen in FIG.
  • lightweight components eg. As hockey sticks or tennis rackets, industrially.
  • lightweight components with different mechanical properties can be produced with one and the same shape. If, for example, a hockey stick is to be produced which has particularly elastic properties, the same shape can be used, in which case elastic reinforcing elements are inserted into the cavity.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Leichtbauteils mit den Schritten i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht, ii). Einlegen eines Verstärkungselements (3) in die Kavität, iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität und iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität v) sowie Entformen des Bauteils aus der Form. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Leichtbauteil hergestellt durch ein solches Verfahren.

Description

Leichtbauteil sowie Verfahren zur Herstellung hierfür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils sowie ein entsprechendes Leichtbauteil. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Sportgerät, z.B. einen Hockeyschläger und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden am Beispiel der Herstellung eines Hockeyschlägers bzw. Hockeystockes beschrieben, obgleich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung anderer Gegenstände verwendet werden könnte. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von leichten Sonderbauteilen, die aufgrund ihrer Abmessungen und/oder ihrer mechani- sehen Eigenschaften im allgemeinen nicht maschinell hergestellt werden können.
Hockeyschläger werden beim Feldhockey verwendet. Der Schläger dient zum Spielen des Balles und weist einen langen Griff und ein gekrümmtes oder abgewinkeltes Element am unteren Ende auf. Mit diesem abgewinkelten Element wird in der Regel der eigentliche Ballkontakt hergestellt.
An Hockeyschläger werden hohe mechanische Anforderungen gestellt. Zum einen sollen sie möglichst leicht sein, zugleich aber eine hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und zudem haltbar und belastungsfähig sein.
Hockeyschläger werden überwiegend aus Maulbeerbaumholz hergestellt. Dabei werden die gängigen Bearbeitungstechniken des Holzhandwerkes verwendet.
Neuerdings werden Hockeyschläger auch in Kunststoffbauweise hergestellt. Dabei kommen im Wesentlichen die Verfahren SMC (Sheet Molding Compound), RTM (Resin Transfer Molding) und das Hand Lay-up-Verfahren zum Einsatz.
Beim SMC-Verfahren werden SMC-Matten, d. h. Matten aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern, hergestellt. Da die Viskosität der Faserharzmasse unter Hitze und Druck abnimmt, kann die Masse samt der darin isotrop verteilten Verstärkungsfasern in eine geschlossene Form fließen. Das duroplastische Material wird in der Form vernetzt, so dass der Schläger gebildet wird. Beim RTM-Verfahren wird die Formmasse z. B. ein niedrigviskoser Duroplast, mittels Kolben über ein oder mehrere Kanäle in das geschlossene Werkzeug eingespritzt. Das eingespritzte Harz füllt alle Hohlräume in der Pressform, tränkt das Verstärkungsmaterial und benetzt die gesamte Oberfläche. Hier kommen zur Verstärkung unterschiedliche Faserarten zum Einsatz, z. B. Endlosfasern, Matten oder Gewebe. Das Formteil härtet unter Hitze im Werkzeug aus.
Beim Hand Lay-up-Verfahren werden mehrere Mattenlagen mit Harz getränkt und in eine Form um einen Kern eingelegt. Durch die beheizte Form härtet der Duroplast aus.
In der Spritzgießtechnologie sind die Gas-Injektion-Technik und die Wasser-Injektion-Technik bekannt. Siehe hierzu beispielsweise DE 2106546. Bei diesen sogenannten Sonderverfahren wird die Form nur zu einem Teil mit der Formmasse gefüllt, die an den kalten Kavitätswänden erstarrt, und dann ein Fluid, z.B. Druckluft oder Wasser, in den vorgefüllten Bereich der Kavität eingeleitet. Das Fluid verdrängt die noch flüssige Seele, bildet einen Hohlraum und treibt die Fließfront bis zur voll- ständigen Ausformung des Formteils voran.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtbauteils, z. B. eines Hockeyschlägers anzugeben, das leicht industriell verwendet werden kann und die Herstellung von Leichtbauteilen mit verschiedenen gewünschten mechanischen Eigenschaften erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten: i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht, ii) Einlegen mindestens eines Verstärkungselementes in die Kavität, iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität, iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität und v) Entformen des Leichtbauteils.
Durch das Einspritzen des Kunststoffmaterials wird das Verstärkungselement umspritzt oder hinterspritzt, so daß nach dem Erstarren der Schmelze das eingespritzte Kunststoffmaterial und das Verstärkungselement eine Einheit bilden.
Die Kavität wird in Schritt iii) nicht vollständig mit der Schmelze gefüllt, sondern nur zum Teil, bei- spielsweise zu 50-95%. Danach wird das Fluid (Schritt iv)) in die Kavität eingebracht. Das Fluid treibt die Schmelzefront nach vorne bis die Kavität gefüllt ist. Dabei wird die Schmelze durch das Fluid aufgeblasen und an die Kavitätenwände gedrückt, so daß sich ein Hohlteil ausbildet. Nach dem Erstarren der Kunststoffschmelze kann das Fluid entnommen werden. Gegebenenfalls kann die Flui- deintrittsöffnung durch nochmaliges Einspritzen einer kleinen Menge der Kunststoffschmelze verschlossen werden.
Als Fluid kann beispielsweise Luft oder Wasser oder eine Kombination aus beidem verwendet wer- den.
In solchen Fluidinjektionsverfahren werden hohle Leichtbauteile hergestellt. Figur 1 zeigt schematisch ein solches Leichtbauteil in einer perspektivischen Schnittansicht. Deutlich zu erkennen ist der Hohlraum 2, der von der erstarrten Formmasse 1 umgeben wird.
Diese Bauteile weisen jedoch im Allgemeinen nur eine geringe Festigkeit auf, so daß Ihre Einsatzgebiete beschränkt sind.
Daher können z. B. Hockeyschläger nicht im Fluidinjektionsverfahren hergestellt werden, da die me- chanische Festigkeit nicht ausreicht. Zudem wird ein Hockeyschläger im Gebrauch unterschiedlich beansprucht. So gibt es bestimmte Bereiche des Hockeyschlägers, die mechanisch stärker beansprucht werden als andere Teile. In diesen Bereichen wäre eine erhöhte Dicke des Leichtbauteils wünschenswert, was jedoch mit dem Fluidinjektionsverfahren nicht verwirklichbar ist. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften spritzfähiger Materialien für besonders hohe mechanische Bean- spruchungen nicht ausreichend.
Aus diesem Grunde schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass vor dem Einspritzen des Kunststoffmaterials ein Verstärkungselement in die Kavität eingelegt wird. Dieses Verstärkungselement sorgt an der Stelle, an der es in die Form eingelegt wurde, für eine mechanische Verstärkung, so dass punktgenau die mechanischen Eigenschaften des Leichtbauteils angepasst werden können.
Es hat sich gezeigt, dass als geschmolzenes Kunststoffmaterial im Schritt iii) am besten ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder Polyamid 6.6, PEEK, PBT, PP oder ABS verwendet wird. Dabei ist es für viele Anwendungsfälle von Vorteil, wenn das thermoplastische Material faserverstärkt ist und zwar vorzugsweise mit einem Faseranteil zwischen 1 und 60%.
Auch das Verstärkungselement, welches in die Kavität eingelegt wird, ist mit Vorteil ein faserverstärktes Profilelement, vorzugsweise ein Extrudat, Pultrudat oder ein im Wickelverfahren hergestelltes Hochleistungsbauteil.
Das Verstärkungselement besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, z. B. aus Polyamid 6 oder Polyamid 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS. Auch das Verstärkungselement ist Vorzugs- weise faserverstärkt und zwar besonders bevorzugt mit einem Faseranteil zwischen 1 und 70%. Für das Verstärkungselement werden besonders bevorzugt Endlosfasern verwendet.
Grundsätzlich ist es von Vorteil wenn der Anteil an Fasern im Verstärkungselement größer als im spritzfähigen Kunststoffmaterial ist.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial einen vergleichbaren Schmelzpunkt haben, da dann beim Injizieren der geschmolzenen Kunststoffmasse das bereits in die Kavität eingelegte Verstärkungselement an der Oberfläche aufschmilzt und sich mit der eingespritzten Kunststoffmasse untrennbar verbindet.
Am Besten besteht daher das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der gleichen Kunststoffmatrix, wobei sich die Glasfaseranteile unterscheiden können.
Je nach Anwendungsfall kann das Verstärkungselement derart in der Kavität angeordnet werden, dass es um oder hintergespritzt wird. Bei der Umspritzung ist das Verstärkungselement nach dem Einspritzen des geschmolzenen Kunststoffmaterials und des Einbringens des Fluids in die Kavität vollständig vom eingespritzten Kunststoffmaterial umgeben. Beim Hinterspritzen bildet eine Oberfläche des Verstärkungselementes einen Teil der Oberfläche des herzustellenden Leichtbauteils. Mit anderen Worten ist beim Hinterspritzen das Verstärkungselement untrennbar in das geschmolzene Kunststoffmaterial eingelegt, wobei eine Oberfläche des Verstärkungselementes frei liegt.
Das Vorsehen von einem Verstärkungselement hat zudem den Vorteil, dass dessen mechanische Eigenschaften gezielt ausgewählt werden können. Zudem kann das Verstärkungselement über sei- ne Länge, Breite und/oder Dicke variierende mechanische Eigenschaften haben. Beispielsweise könnte die Dicke des Verstärkungselementes variieren. Zudem könnte das Verstärkungselement Abschnitte aufweisen, mit erhöhtem Faseranteil.
Weiterhin ist es denkbar, dass im Schritt ii) mindestens zwei Verstärkungselemente mit unterschied- liehen mechanischen Eigenschaften in die Kavität eingelegt werden. Dadurch ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Leichtbauteils exakt einzustellen, um ein Bauteil bereitzustellen, dessen mechanische Eigenschaften entlang seiner Ausdehnung variieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt iv) der Fluiddruck variiert, um die Wanddicke des Bauteils zu variieren.
Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn der durch das Fluid entstandene Hohlraum zumindest teilweise ausgeschäumt wird. Durch das vorgeschlagene Verfahren können mit nur einer Form nahezu beliebig viele unterschiedliche Hockeyschläger hergestellt werden. Die Anpassung des Hockeyschlägers an die individuellen Bedürfnisse erfolgt im wesentlichen über die Auswahl des (oder der) Verstärkungselementes und/oder des Fluiddrucks während Schritt iv) und gegebenenfalls über die Auswahl des einzuspritzenden Materials.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und den dazuge- hörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Leichtbauteils des Standes der Technik und
Figur 2 eine perspektivische Schnittansicht.
In Figur 1 ist eine perspektivische Schnittansicht des Leichtbauteils gezeigt, wie es beispielsweise durch ein Gasinjektionsverfahren im Stand der Technik hergestellt wird. Dieses Leichtbauteil hat in Längsrichtung im Wesentlichen homogene mechanische Eigenschaften. Zudem werden die mechanischen Eigenschaften durch das verwendete Kunststoffmaterial bestimmt.
In Figur 2 ist in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Leichtbauteil gezeigt. Zu erkennen ist, dass das Leichtbauteil zwei Verstärkungselemente 3 aufweist, die mit dem plastifizierten Kunststoff hinterspritzt wurden. Diese Verstärkungselemente werden bevorzugt an denjenigen Stellen des Leichtbauteils angeordnet, die einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Die Verwendung von Verstärkungselementen hat zur Folge, dass die Bauteildicke an denjenigen Stellen, an denen das Verstärkungselement positioniert wird, erhöht wird, was bereits zu einer erhöhten Steifigkeit führt, und zum anderen die mechanischen Eigenschaften durch die mechanischen Eigenschaften des Verstärkungselementes bestimmt werden.
Es ist daher möglich, z.B. ein hoch fasergefülltes Pultrodat als Verstärkungselement zu verwenden, um die Zug- und Druckkräfte im Gebrauch aufzunehmen.
Das Verstärkungselement ist vorzugsweise, um eine bessere Verbindung mit dem eingespritzten Kunststoffmaterial zu erreichen, im Querschnitt in Richtung der Bauteilaußenwand konisch zulau- fend, wie in Figur 2 zu erkennen ist.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, Leichtbauteile, z. B. Hockeyschläger oder Tennisschläger, industriell anzufertigen. Zudem können mit ein und derselben Form Leichtbauteile mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Soll beispielsweise ein Hockeyschläger hergestellt werden, der besonders elastische Eigenschaften aufweist, kann dieselbe Form verwendet werden, wobei dann elasti- schere Verstärkungselemente in die Kavität eingelegt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Leichtbauteils mit den Schritten i) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Kavität, deren Innenkontur der Außenkon- tur des herzustellenden Leichtbauteils entspricht, ii) Einlegen eines Verstärkungselement in die Kavität, iii) Einspritzen von geschmolzenem Kunststoffmaterial in die Kavität und iv) Einbringen eines Fluids in die Kavität v) Entformen des Bauteils aus der Form.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iv) als Fluid Luft und/oder Wasser verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) als ge- schmolzenes Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS und zwar besonders bevorzugt mit Faseranteilen zwischen 1 und 60%, verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstär- kungselement ein faserverstärktes Profilement, vorzugsweise ein Extrudat, Pultrudat oder im
Wickelverfahren hergestelltes Hochleistungsbauteil ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement aus einem thermoplastischen Material, vorzugsweise Polyamid 6 oder 6.6, PEEK, PBT, PP, ABS und zwar besonders bevorzugt mit Faseranteilen zwischen 1 und
70%, besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement und das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der gleichen Kunststoffmatrix bestehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) das Verstärkungselement umspritzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii) das Verstärkungselement hinterspritzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) ein Verstärkungselement verwendet wird, dessen mechanische Eigenschaften über die Länge, Breite und/oder Dicke des Verstärkungselement variieren.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) mindestens zwei Verstärkungselemente mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in die Kavität eingelegt werden.
11. Leichtbauteil hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Leichtbauteil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß es als Sportgerät, insbesondere als Hockeyschläger ausgebildet ist.
PCT/EP2009/053900 2008-04-05 2009-04-01 Leichtbauteil sowie verfahren zur herstellung hierfür WO2009121915A1 (de)

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