WO2011120650A1 - Verfahren zur herstellung eines endlosfaserverstärkten formteils unter verwendung eines spritzgusswerkzeugs - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines endlosfaserverstärkten formteils unter verwendung eines spritzgusswerkzeugs Download PDF

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Franz Kind
Peter Michel
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Definitions

  • the present invention relates to a method of making a continuous fiber reinforced molded article using an injection molding tool.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a continuous fiber-reinforced molded part using an injection molding tool with which an endless fiber-reinforced molded part with complex geometry can be produced, which has a significantly higher manufacturing quality compared to a molded part produced by a known method ,
  • This object is achieved with a method for producing a continuous fiber-reinforced molded part using an injection molding tool having the features of claim 1.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • step G flowable thermoplastic material is introduced from outside the injection molding tool into the metering space.
  • step H the final forming of the molded article from the preform then takes place by injecting flowable thermoplastic synthetic material from outside the injection molding tool into the cavity filling space remaining after introduction of the preform and by additionally injecting the thermoplastic flowable plastic material into the filling space .
  • the plastic material is injected from outside the injection molding tool via the first injection channel and for injecting the additional plastic material of the dosing chamber, the injection device is activated, which injects the flowable thermoplastic material located in the dosing chamber via the second injection channel into the cavity.
  • step I the molding is removed from the cavity.
  • the second tool part is provided with an injection system comprising the metering space and the injection device.
  • a second tool part with this injection system, which may preferably be in the form of a so-called "shot-pot" device, it is possible to significantly shorten the injection paths required in known solutions Injection device via the second injection channel of the second tool part in the filling cavitated in the cavity.
  • long injection paths which extend from the first to the second tool part and which are provided for supplying the example of an injection unit in the first tool part introduced plastic material to areas of the filling space, which are located in the second tool part, can thus be dispensed with.
  • the injection system of the second tool part the length of the longest injection paths or injection channels can be significantly reduced compared to known solutions. In particular, the length differences between the respective injection paths can thus be significantly reduced, so that thermoplastic material injected via different injection paths can enter the filling space with essentially the same flow properties or the same temperature.
  • an external spraying system comprising a plasticizing unit for producing the flowable thermoplastic material and an injection unit for feeding the plastic material
  • a plasticizing unit for producing the flowable thermoplastic material and an injection unit for feeding the plastic material
  • an injection unit for feeding the plastic material can be effectively reduced in terms of its maximum power dimensioning or performance data, so that by means of the inventive method also a reduction in production costs is made possible.
  • an endless fiber-reinforced molded part with complex geometry and high production quality can be produced with the method according to the invention.
  • the first tool part is fixed and the second tool part is movable for introducing the preform into the cavity relative to the first tool part.
  • the preform can be introduced in a practical manner by appropriate movement of the second tool part in the cavity of the injection molding tool or removed therefrom.
  • a large number of preforms for producing a corresponding multiplicity of molded parts can thus be introduced into or removed from the cavity in a practical manner.
  • step H to achieve the highest possible manufacturing quality of the molded part, the injection of the plastic material from outside the injection mold is carried out substantially simultaneously with the injection of the located in the metering Kunststoffstoffmaterials.
  • step G is carried out during cooling of the preform after the heating carried out in step E. In this way, the time to be reserved for cooling the preform can advantageously be used to carry out step G without having to specifically provide process time or process time.
  • the injection molding tool has at least one feed line which fluidly connects the first injection channel with the metering, wherein in step G flowable thermoplastic plastic material from outside the injection mold by injecting the plastic material into the first injection channel and by redirecting the injected plastic material is introduced into the feed line into the metering space, and wherein the feed line is closed before, according to step H, the flowable thermoplastic material is injected into the filling space.
  • thermoplastic material By means of the feed line, the thermoplastic material can be introduced in a practical manner via the first injection channel into the metering chamber, so that only a single injection unit to be provided in the vicinity of the injection tool for supplying the plastic material is to be provided.
  • the second tool part at least two injection devices, at least two metering chambers, each associated with one of the injection devices, and at least two second injection channels, each one of the second injection channels opens into a respective metering and each set up the injection devices is to inject thermoplastic material from the associated dosing into the cavity, and wherein in step G in each of the dosing introduced flowable thermoplastic material and in step H, the flowable thermoplastic material located in each dosing is injected into the filling space.
  • the first tool part has a plurality of first injection channels, and in the vicinity of the injection molding tool at least two injection units are provided which are adapted to inject the flowable thermoplastic material from outside into at least one of the first injection channels. Also, by means of this practical embodiment, very short injection paths can be realized due to the provision of at least two injection units, so that moldings with very complex geometry can be produced with high production quality.
  • Fig. 1 shows schematically a plant for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2, 3 are each a schematic representation of an embodiment of a
  • Cut-to-size, substantially flat, unidirectional fiber-reinforced mats 2 are provided with a thermoplastic matrix at least partially surrounding the fibers ,
  • the mats 2 are taken from the magazine 3 from a magazine and provided at a predetermined position.
  • the provision of the mats 2 via a rolling and / or cutting unit done (not shown here).
  • the mats 2 are at least partially preheated before depositing on a workpiece carrier 5 with the aim of increasing the flexibility of the mats 2. This is followed by a transfer of the mats 2 to a workpiece carrier 5 which predetermines the rough contour 4 of the molded part 1.
  • the workpiece carrier 5 itself is moved on a conveyor track 13.
  • the cut mats 2 are deposited and continuously constructed into a three-dimensional preform 6 in such a way that the fiber orientation of the mats 2 affects the forces acting in the subsequent use of the molded part 1, and the load paths resulting therefrom within the molded part 1, is agreed.
  • the transfer, storage and erection of the preform 6 take over a plurality of robot stations or robot systems 14, which are arranged along the conveyor line 13.
  • the mats 2 are fixed in position relative to one another. In this case, the position fixation by means of a laser welding system 7, wherein a laser optics (not shown in detail) is arranged at a further robot station 17.
  • a positional fixation of the mats 2 to each other can take place by means of textile technology.
  • the preform 6 is subsequently heated in an infrared continuous furnace 8 above the melting temperature of the thermoplastic matrix of the preform 6.
  • the heating can also take place within a convection continuous furnace or in the injection molding tool 10 itself.
  • a further robot station 9 the introduction of the three-dimensional preform 6 into the cavity of an injection mold 10 for final molding of the molded part takes place, wherein the flowable thermoplastic material, which is to be injected into the remaining filling space of the cavity, from an injection unit 15 is supplied.
  • the finished molded part 1 is also removed by means of the robot station 9 from the injection molding tool 10 and fed to a storage unit 16.
  • FIGS. 2 and 3 each show a schematic representation of an embodiment of an injection molding tool 10 according to the inventive method.
  • the injection molding tool 10 has a first fixed tool part 18 and a second tool part 20, which form a cavity 22 for the final molding of the molded part 1, in which a very schematically illustrated preform 6 is introduced.
  • the first tool part 18 has a first injection channel 24 and the second tool part 20 has a second injection channel 26, which are provided for injecting flowable thermoplastic material 28 into the cavity 22. From the first and the second injection channel 24, 26 extend perpendicularly each two branch channels, each opening into the cavity 22.
  • the second tool part 20 is movable for introducing the preform 6 into the cavity 22 relative to the first tool part 18 (not illustrated here) and has an injection device 30 in the form of a longitudinally movable plunger and a metering chamber 32 which can be filled with flowable thermoplastic material 28, wherein the second injection channel 26 opens into the metering chamber 32.
  • the injection molding tool 10 also has a feed line 34, which connects the first injection channel 24 in a fluid-conducting manner with the metering chamber 32.
  • the feed line 34 has two line valves 36 which, in the open state, make it possible for flowable thermoplastic material material 28 to flow into the metering space 32, which is supplied from the injection unit 24 provided in the surroundings of the injection molding tool 10 via the first injection channel 24.
  • the first injection channel 24 has a channel valve 40 which, in the closed state, allows diversion into the feed line 34 if the two line valves 36 are open ,
  • the second injection channel 26 has a channel valve 40, which avoids leakage of the thermoplastic material 28 during its introduction into the metering chamber 32 in the closed state and which for injecting the introduced into the metering chamber 32 plastic material 28 in the after insertion of the preform 6 remaining Filling space 42 is opened.
  • 2 illustrates a situation according to step G of the method according to the invention, in which the flowable thermoplastic material 28 is introduced into the metering chamber 32, for which purpose the two line valves 36 are opened beforehand and the two channel valves 40 are closed beforehand.
  • step H of the method according to the invention illustrates a situation according to step H of the method according to the invention, in which the final molding of the molded part 1 flowable thermoplastic material 28 from the injection unit 38 into the filling space 42 of the cavity 22 and additionally in the dosing 32 located thermoplastic flowable Kunststoffmate- material 28 is injected into the filling space 42 by activating the injection device 30, wherein the feed line 34 is closed by closing the line valves 36 before the flowable thermoplastic material 28 is injected into the filling space 42.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils (1) unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs (10), wobei das Spritzgusswerkzeug (10) ein erstes und zweites Werkzeugteil (18, 20) aufweist, welche eine Kavität (22) zum endgültigen Formen des Formteils (1) ausbilden, wobei das erste Werkzeugteil (18) einen ersten Einspritzkanal (24) und das zweite Werkzeugteil (20) einen zweiten Einspritzkanal (26) aufweist, die zum Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial (28) in die Kavität (22) vorgesehen sind, wobei das zweite Werkzeugteil (20) eine Einspritzvorrichtung (30) und einen mit fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial (28) befüllbaren Dosierraum (32) aufweist, wobei der zweite Einspritzkanal (26) in den Dosierraum (32) mündet, und wobei die Einspritzvorrichtung (30) eingerichtet ist, in dem Dosierraum (32) befindliches fließfähiges thermoplastisches Kunststoff material (28) über den zweiten Einspritzkanal (26) in die Kavität (22) einzuspritzen, und wobei das Verfahren die Schritte A bis I umfasst.

Description

Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils unter
Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs
Hintergrund der Erfindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs.
Die Druckschrift US 7,235, 149 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kraftfahrzeugformteilen aus endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen. Hierbei werden die bandförmigen endlosfaserverstärkten Vorformstücke auf einer ebenen Fläche in verschiedenen Winkeln zueinander abgelegt. Das dabei entstehende flache Gelege wird im Anschluss vorgewärmt und durch Thermoformen umgeformt. Je nach Wanddicke des Bauteils erfolgt die Konsolidierung in einem getrennten oder im gleichen Thermoformwerkzeug. Alternativ sind auch Umspritzungs-Verfahren bekannt, welche die Konsolidierung durch Umspritzen des Geleges bzw. Vorformlings vornehmen, derart, dass der Vorformling in eine Kavität eines Spritzgusswerks, die zum endgültigen Formen des Formteils vorgesehen ist, eingebracht und anschließend in den nach Einbringen des Vorformlings verbleibenden Füllraum der Kavität thermoplastisches Kunststoffmaterial eingespritzt wird. Allerdings las- sen sich mit den bekannten Umspritzungs-Verfahren zur Konsolidierung des Vorformlings komplexe Formteil-Geometrien in nur geringer Fertigungsqualität realisieren, da infolge der komplexen Geometrie bei bekannten Lösungen Einspritzwege für das Kunststoffmaterial vorzusehen sind, die zum einen recht lang sein können und sich ferner auch in Ihrer Länge stark unterscheiden können, so dass z.B. infolge von Abkühlungsvorgängen während des Einspritzens das thermoplastische Kunststoffmaterial je nach Einspritzweg mit unterschiedlichen Fließeigenschaften bzw. Temperaturen in den Füllraum tritt bzw. infolge eines langen Einspritzwegs auch zu stark abgekühlt in den Füllraum treten kann. Zugrundeliegende Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs an- zugeben, mit dem ein endlosfaserverstärktes Formteil mit komplexer Geometrie herstellbar ist, das eine im Vergleich zu einem mit einem bekannten Verfahren hergestellten Formteil wesentlich höhere Fertigungsqualität aufweist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
(A) Bereitstellen von zugeschnittenen, im Wesentlichen flächig ausgebildeten, unidirektio- nal-faserverstärkten Matten mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermo-plastischen Matrix,
(B) Transfer der Matten zu einem die Grobkontur des Formteils vorgebenden Werkstück- träger, (C) Ablegen und fortlaufendes Aufbauen der Matten auf dem Werkstückträger zu einem dreidimensionalen Vorformling derart, dass die Faserorientierung der Matten auf die im späteren Einsatz des Formteils angreifenden Kräfte, und die daraus innerhalb des Formteils resultierenden Lastpfade, abgestimmt wird, (D) Lagefixierung der Matten zueinander während oder nach Abschluss des Aufbaus des Vorformlings,
(E) Erwärmung des Vorformlings bis an oder über die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix des Vorformlings, (F) Einbringen des Vorformlings in die Kavität des Spritzgusswerkzeugs,
(G) Einbringen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs in den Dosierraum, und
(H) Endgültiges Formen des Formteils durch Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs in den nach Einbringen des Vorformlings verbleibenden Füllraum der Kavität und durch zusätzliches Ein- spritzen des in dem Dosierraum befindlichen thermoplastischen fließfähigen Kunststoffmaterials in den Füllraum, wobei das Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs über den ersten Einspritzkanal eingespritzt wird, und wobei zum Einspritzen des Kunststoffmaterials des Dosierraums die Einspritzvorrichtung aktiviert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach Ausführen der Schritte A bis E in Schritt G fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs in den Dosierraum eingebracht. In Schritt H erfolgt dann das endgültige Formen des Formteils aus dem Vorformling durch Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunst- Stoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs in den nach Einbringen des Vorformlings verbleibenden Füllraum der Kavität und durch zusätzliches Einspritzen des in dem Dosierraum befindlichen thermoplastischem fließfähigen Kunststoffmaterials in den Füllraum. Hierbei wird das Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs über den ersten Einspritzkanal eingespritzt und zum zusätzlichen Einspritzen des Kunststoffma- terials des Dosierraums wird die Einspritzvorrichtung aktiviert, welche das in dem Dosierraum befindliche fließfähige thermoplastisches Kunststoffmaterial über den zweiten Einspritzkanal in die Kavität einspritzt. In Schritt I wird das Formteil aus der Kavität entnommen. Das zweite Werkzeugteil ist mit einem Einspritzsystem umfassend den Dosierraum und die Einspritzvorrichtung versehen. Durch Verwenden eines zweiten Werkzeugteils mit diesem Einspritzsystem, das vorzugsweise in Form einer sog.„Shot-pot"-Einrichtung ausgebildet sein kann, ist es möglich, die bei bekannten Lösungen erforderlichen Einspritzwege deutlich zu verkürzen. Das in dem Dosierraum befindliche Kunststoffmaterial wird mittels der Einspritzvorrichtung über den zweiten Einspritzkanal des zweiten Werkzeugteils in den Füll- räum der Kavität gespritzt. Auf bei bekannten Lösungen vorgesehene lange Einspritzwege, die sich von dem ersten bis in das zweite Werkzeugteil erstrecken und welche zum Zuführen des z.B. von einer Spritzeinheit in das erste Werkzeugteil eingebrachten Kunststoffmaterials zu Bereichen des Füllraums, welche sich in dem zweiten Werkzeugteil befinden, vorgesehen sind, kann somit verzichtet werden. Mittels des Einspritzsystems des zweiten Werkzeugteils kann die Länge der längsten Einspritzwege bzw. Einspritzkanäle im Vergleich zu bekannten Lösungen deutlich reduziert werden. Insbesondere können so auch die Längenunterschiede zwischen den jeweiligen Einspritzwegen deutlich reduziert werden, so dass über verschiedene Einspritzwege eingespritztes thermoplastische Kunststoffmaterial mit im Wesentlichen gleichen Fließeigenschaften bzw. gleicher Temperatur in den Füllraum treten kann.
Durch das Vorsehen des Einspritzsystems des zweiten Werkzeugteils kann insbesondere auch ein externes Spritzsystem, umfassend eine Plastifiziereinheit zur Herstellung des fließfähigen thermoplastischen Kunststoffmaterials und eine Spritzeinheit zum Zuführen des Kunststoffmaterials, hinsichtlich seiner maximalen Leistungsdimensionierung bzw. Leistungsdaten wirksam reduziert werden, so dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Reduzierung der Herstellungskosten ermöglicht wird. Insgesamt gesehen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein endlosfaserverstärktes Formteil mit komplexer Geometrie und hoher Fertigungsqualität herstellbar.
Vorzugsweise ist das erste Werkzeugteil feststehend und das zweite Werkzeugteil ist zum Einbringen des Vorformlings in die Kavität relativ zu dem ersten Werkzeugteil beweglich. So kann der Vorformling auf praktische Weise durch entsprechendes Bewegen des zweiten Werkzeugteils in die Kavität des Spritzgusswerkszeugs eingebracht bzw. aus dieser entfernt werden. Insbesondere kann somit im Rahmen eines automatisierten Herstellungsverfahrens eine Vielzahl von Vorformligen zu Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Formteilen auf praktische Weise in die Kavität eingebracht bzw. aus dieser entnommen werden.
Vorzugsweise wird in Schritt H zur Erzielung einer möglichst hohen Fertigungsqualität des Formteils das Einspritzen des Kunststoffmaterials von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs im Wesentlichen zeitgleich mit dem Einspritzen des in dem Dosierraum befindlichen Kunst- Stoffmaterials vorgenommen. Besonders bevorzugt wird Schritt G während eines Abkühlens des Vorformlings nach der in Schritt E vorgenommenen Erwärmung ausgeführt. Auf diese Weise kann die für ein Abkühlen des Vorformlings zu reservierende Zeit vorteilhaft zur Ausführung des Schritts G ge- nutzt werden ohne hierfür eigens Prozesszeit bzw. Verfahrenszeit vorsehen zu müssen.
Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Spritzgusswerkzeug wenigstens eine Einspeisleitung auf, welche den ersten Einspritzkanal fluidleitend mit dem Dosierraum verbindet, wobei in Schritt G fließfähiges thermoplasti- sches Kunststoffmaterial von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs durch Einspritzen des Kunststoffmaterials in den ersten Einspritzkanal und durch Umleiten des eingespritzten Kunststoffmaterials in die Einspeisleitung in den Dosierraum eingebracht wird, und wobei die Einspeisleitung zugesperrt wird bevor gemäß Schritt H das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial in den Füllraum gespritzt wird.
Mittels der Einspeisleitung kann das thermoplastische Kunststoffmaterial auf praktische Weise über den ersten Einspritzkanal in den Dosierraum eingebracht werden, so dass lediglich eine einzige in Umgebung des Spritzwerkzeugs vorzusehende Spritzeinheit zum Zuführen des Kunststoffmaterials bereitzustellen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das zweite Werkzeugteil wenigstens zwei Einspritzvorrichtungen, wenigstens zwei Dosierräume, die jeweils einer der Einspritzvorrichtungen zugeordnet sind, und wenigstens zwei zweite Einspritzkanäle auf, wobei jeweils einer der zweiten Einspritzkanäle in jeweils einen Dosierraum mündet und jede der Einspritzvorrichtungen eingerichtet ist, thermoplastisches Kunststoffmaterial aus dem zugeordneten Dosierraum in die Kavität einzuspritzen, und wobei in Schritt G in jeden der Dosierräume fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial eingebracht und in Schritt H das in jedem Dosierraum befindliche fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial in den Füllraum gespritzt wird.
Durch Vorsehen der Mehrzahl von wenigstens zwei Einspritzvorrichtungen und der Mehrzahl von wenigstens zwei Dosierräumen gemäß dieser praktischen Ausführungsform, welche eine entsprechende Mehrzahl von Einspritzsystemen ausbilden, können sehr kurze Einspritzwege realisiert werden, so das auch Formteile mit sehr komplexer Geometrie mit hoher Fertigungsqualität herstellbar sind. Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform weist das erste Werkzeugteil mehrere erste Einspritzkanäle auf, und in Umgebung des Spritzgusswerkzeugs sind wenigstens zwei Spritzeinheiten vorgesehen, die eingerichtet sind, das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial von außerhalb in wenigstens einen der ersten Einspritzkanäle einzuspritzen. Auch mittels dieser praktischen Ausführungsform können infolge des Vorsehens von wenigstens zwei Spritzeinheiten sehr kurze Einspritzwege realisiert werden, so dass auch Formteile mit sehr komplexer Geometrie mit hoher Fertigungsqualität herstellbar sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 2, 3 jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Spritzgusswerkzeugs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils 1. Auf mehreren Fördereinheiten 3 werden dabei zugeschnittene, im Wesentlichen flächig ausgebildete, unidirektio- nal-faserverstärkte Matten 2 mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix bereitgestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Matten 2 von der Fördereinheit 3 aus einem Magazin entnommen und auf einer vorbestimmten Position bereitgestellt. Alternativ kann die Bereitstellung der Matten 2 über eine Abroll- und/oder Schneideinheit erfolgen (hier nicht näher dargestellt). Die Matten 2 werden vor dem Ablegen auf einem Werkstückträger 5 zumindest teilweise vorgewärmt mit dem Ziel die Flexibilität der Matten 2 zu erhöhen. Im Anschluss erfolgt ein Transfer der Matten 2 zu einem die Grobkontur 4 des Formteils 1 vorgebenden Werkstückträger 5. Der Werkstückträger 5 selbst wird auf einer Förderstre- cke 13 bewegt. Auf dem Werkstückträger 5 werden die zugeschnittenen Matten 2 abgelegt und fortlaufend zu einem dreidimensionalen Vorformling 6 aufgebaut in derart, dass die Faserorientierung der Matten 2 auf die im späteren Einsatz des Formteils 1 angreifenden Kräfte, und die dar- aus innerhalb des Formteils 1 resultierenden Lastpfade, abgestimmt wird. Den Transfer, das Ablegen und das Aufbauen des Vorformlings 6 übernehmen mehrere Roboterstationen oder Robotersysteme 14, die entlang der Förderstrecke 13 angeordnet sind. Nach Ab- schluss des Aufbaus des Vorformlings 6 werden die Matten 2 zueinander lagefixiert. Dabei erfolgt die Lagefixierung mittels einer Laserschweißanlage 7, wobei eine Laseroptik (nicht näher dargestellt) an einer weiteren Roboterstation 17 angeordnet ist. Alternativ kann schon während des Aufbaus des Vorformlings 6 eine Lagefixierung der Matten 2 zueinander durch textiltechnische Verfahren erfolgen.
Der Vorformling 6 wird anschließend in einem Infrarot-Durchlaufofen 8 über die Schmelz- temperatur der thermoplastischen Matrix des Vorformlings 6 erwärmt. Alternativ kann die Erwärmung auch innerhalb eines Konvektionsdurchlaufofens oder in dem Spritzgusswerkzeug 10 selbst erfolgen. Mittels einer weiteren Roboterstation 9 erfolgt die Einbringung des dreidimensionalen Vorformlings 6 in die Kavität eines Spritzgusswerkzeugs 10 zum endgültigen Formen des Formteil, wobei das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial, wel- ches in den verbleibenden Füllraum der Kavität einzuspritzen ist, von einer Spritzeinheit 15 zugeführt wird. Das fertige Formteil 1 wird ebenfalls mittels der Roboterstation 9 aus dem Spritzgusswerkzeug 10 entnommen und einer Lagereinheit 16 zugeführt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spritzgusswerkzeugs 10 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das Spritzgusswerkzeug 10 weist ein erstes feststehendes Werkzeugteil 18 und ein zweites Werkzeugteil 20 auf, welche eine Kavität 22 zum endgültigen Formen des Formteils 1 ausbilden, in welche ein sehr schematisch dargestellter Vorformling 6 eingebracht ist.
Das erste Werkzeugteil 18 weist einen ersten Einspritzkanal 24 und das zweite Werkzeugteil 20 weist einen zweiten Einspritzkanal 26 auf, die zum Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial 28 in die Kavität 22 vorgesehen sind. Vom dem ersten als auch dem zweiten Einspritzkanal 24, 26 erstrecken sich rechtwinkelig jeweils zwei Abzweigkanäle, die jeweils in die Kavität 22 münden. Das zweite Werkzeugteil 20 ist zum Einbringen des Vorformlings 6 in die Kavität 22 relativ zu dem ersten Werkzeugteil 18 beweglich (hier nicht veranschaulicht) und weist eine Einspritzvorrichtung 30 in Form eines längsbeweglichen Presskolbens und einen mit fließfähi- gern thermoplastischen Kunststoffmaterial 28 befüllbaren Dosierraum 32 auf, wobei der zweite Einspritzkanal 26 in den Dosierraum 32 mündet.
Das Spritzgusswerkzeug 10 weist ferner eine Einspeisleitung 34 auf, welche den ersten Einspritzkanal 24 fluidleitend mit dem Dosierraum 32 verbindet. Die Einspeisleitung 34 weist zwei Leitungsventile 36 auf, die im geöffneten Zustand ein Einströmen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial 28 in den Dosierraum 32 möglich machen, welches von einer in Umgebung des Spritzgusswerkzeugs 10 vorgesehenen Spritzeinheit 38 über den ersten Einspritzkanal 24 zugeführt wird. Um eine Umleitung des über den ersten Einspritzkanal 24 zugeführten Kunststoffmaterials 28 in die Einspeisleitung 34 zu ermögli- chen, weist der erste Einspritzkanal 24 ein Kanalventil 40 auf, welches im geschlossen Zustand die Umleitung in die Einspeisleitung 34 gewährt, sofern die beiden Leitungsventile 36 geöffnet sind.
Auch der zweite Einspritzkanal 26 weist ein Kanalventil 40 auf, welches im geschlossenen Zustand ein Austreten des thermoplastischen Kunststoffmaterials 28 während des Einbringens desselben in den Dosierraum 32 vermeidet und welches zum Einspritzen des in den Dosierraum 32 eingebrachten Kunststoffmaterials 28 in den nach Einbringen des Vorformlings 6 verbleibenden Füllraum 42 geöffnet wird. Die Fig. 2 veranschaulicht eine Situation gemäß Schritt G des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial 28 in den Dosierraum 32 eingebracht wird, wobei hierfür die beiden Leitungsventile 36 zuvor geöffnet und die beiden Kanalventile 40 zuvor geschlossen werden. Die Fig. 3 veranschaulicht eine Situation gemäß Schritt H des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zum endgültigen Formen des Formteils 1 fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial 28 von der Spritzeinheit 38 in den Füllraum 42 der Kavität 22 und zusätzlich das in dem Dosierraum 32 befindliche thermoplastische fließfähige Kunststoffmate- rial 28 durch Aktivieren der Einspritzvorrichtung 30 in den Füllraum 42 eingespritzt wird, wobei die Einspeisleitung 34 durch Schließen der Leitungsventile 36 zugesperrt wird bevor das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial 28 in den Füllraum 42 gespritzt wird.
Bezugszeichenliste
1 Formteil
2 Matte
3 Fördereinheit
4 Grobkontur
5 Werkstückträger
6 Vorformling
7 Laserschweißanlage
8 Infrarot-Durchlaufofen
9 Roboterstation
10 Spritzgusswerkzeug
13 Förderstrecke
14 Robotersystem
15 Spritzeinheit
16 Lagereinheit
18 erstes Werkzeugteil
20 zweites Werkzeugteil
22 Kavität
24 erster Einspritzkanal
26 zweiter Einspritzkanal
28 thermoplastisches Kunststoffmaterial
30 Einspritzvorrichtung
32 Dosierraum
34 Einspeisleitung
36 Leitungsventil
38 Spritzeinheit
40 Kanalventil
42 Füllraum

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Formteils (1) unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs (10), wobei das Spritzgusswerkzeug (10) wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Werkzeugteil (18, 20) aufweist, welche eine Kavität (22) zum endgültigen Formen des Formteils (1) ausbilden, wobei das erste Werkzeugteil (18) wenigstens einen ersten Einspritzkanal (24) und das zweite Werkzeugteil (20) wenigstens einen zweiten Einspritzkanal (26) aufweist, die zum Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial (28) in die Kavität (22) vorgesehen sind, wobei das zweite Werkzeugteil (20) wenigstens eine Einspritzvorrichtung (30) und wenigstens einen mit fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial (28) befüllbaren Dosierraum (32) aufweist, wobei der zweite Einspritzkanal (26) in den Dosierraum (32) mündet, und wobei die Einspritzvorrichtung (30) eingerichtet ist, in dem
Dosierraum (32) befindliches fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial (28) über den zweiten Einspritzkanal (26) in die Kavität (22) einzuspritzen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(A) Bereitstellen von zugeschnittenen, im Wesentlichen flächig ausgebildeten, unidi- rektional-faserverstärkten Matten (2) mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix,
(B) Transfer der Matten (2) zu einem die Grobkontur (4) des Formteils (1) vorgebenden Werkstückträger (5),
(C) Ablegen und fortlaufendes Aufbauen der Matten (2) auf dem Werkstückträger (5) zu einem dreidimensionalen Vorformling (6) derart, dass die Faserorientierung der Matten (2) auf die im späteren Einsatz des Formteils (1) angreifenden Kräfte, und die daraus innerhalb des Formteils (1) resultierenden Lastpfade, abgestimmt wird, (D) Lagefixierung der Matten (2) zueinander während oder nach Abschluss des Aufbaus des Vorformlings (6),
(E) Erwärmung des Vorformlings (6) bis an oder über die Schmelztemperatur der thermo-plastischen Matrix des Vorformlings (6),
(F) Einbringen des Vorformlings (6) in die Kavität (22) des Spritzgusswerkzeugs (10),
(G) Einbringen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoff material (28) von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs (10) in den Dosierraum (32),
(H) Endgültiges Formen des Formteils (1) durch Einspritzen von fließfähigem thermoplastischen Kunststoffmaterial (28) von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs (10) in den nach Einbringen des Vorformlings (6) verbleibenden Füllraum (42) der Kavi tät (22) und durch zusätzliches Einspritzen des in dem Dosierraum (32) befindlichen thermoplastischen fließfähigen Kunststoffmaterials (28) in den Füllraum (42), wobei das Kunststoffmaterial (28) von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs (10) über den ersten Einspritzkanal (24) eingespritzt wird, und wobei zum Einspritzen des Kunststoffmaterials (28) des Dosierraums (32) die Einspritzvorrichtung (30) aktiviert wird, und
(I) Entnehmen des Formteils (1) aus der Kavität (22).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (18) feststehend ist, und dass das zweite Werkzeugteil (20) zum Einbringen des Vorformlings (6) in die Kavität (22) relativ zu dem ersten Werkzeugteil (18) beweglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (H) das Einspritzen des Kunststoffmaterials (28) von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs (10) im Wesentlichen zeitgleich mit dem Einspritzen des in dem Dosierraum (32) befindlichen Kunststoffmaterials (28) vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (G) während eines Abkühlens des Vorformlings (6) nach der in Schritt (E) vorgenommenen Erwärmung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgusswerkzeug (10) wenigstens eine Einspeisleitung (34) aufweist, welche den ersten Einspritzkanal (24) fluidleitend mit dem Dosierraum (32) verbindet, wobei in Schritt (G) fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial (28) von außerhalb des Spritzgusswerkzeugs (10) durch Einspritzen des Kunststoffmaterials (28) in den ersten Einspritzkanal (24) und durch Umleiten des eingespritzten Kunststoffmaterials (28) in die Einspeisleitung (34) in den Dosierraum (32) eingebracht wird, und wobei die Einspeisleitung (34) zugesperrt wird bevor gemäß Schritt (H) das fließfähige thermoplastische Kunststoffmaterial in den Füllraum (42) gespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugteil (20) wenigstens zwei Einspritzvorrichtungen (30), wenigstens zwei Dosierräume (32), die jeweils einer der Einspritzvorrichtungen (30) zugeordnet sind, und wenigstens zwei zweite Einspritzkanäle (26) aufweist, wobei jeweils einer der zweiten Einspritzkanäle (26) in jeweils einen Dosierraum (2) mündet und jede der Einspritzvorrichtungen (30) eingerichtet ist, thermoplastisches Kunststoffmaterial (28) aus dem zugeordneten Dosierraum (32) in die Kavität (22) einzuspritzen, und wobei in Schritt (G) in jeden der Dosierräume (32) fließfähiges thermoplastisches Kunststoffmaterial (28) eingebracht und in Schritt (H) das in jedem Dosierraum (32) befindliche fließfähige thermoplastische Kunst-stoffmaterial (28) in den Füllraum (42) gespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (18) mehrere erste Einspritzkanäle (24) aufweist, und dass in Umgebung des Spritzgusswerkzeugs (10) wenigstens zwei Spritzeinheiten (38) vorgesehen sind, die eingerichtet sind, das fließfähige thermoplastische Kunststoffmateri- al (28) von außerhalb in wenigstens einen der ersten Einspritzkanäle (24) einzuspritzen.
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