Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden
Formteilen mit Hohlräumen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder
Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau- Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen. Auch sind gasbildende Einlageelemente für die Verwendung in den vorgenannten Verfahren angegeben.
Bereits in dem europäischen Patent EP 0 478 535 B1 sind kunststoffbeschichtete Werkstücke, wie z. B. Walzen, Druckkissen beschrieben, wobei zwischen dem Werkstück und der Kunststoffbeschichtung jeweils örtlich begrenzt eine weitere Schicht mit einem Mittel zur Verminderung bzw. Aufhebung der Adhäsionskräfte vorgesehen ist. Zur Bildung von Hohlräumen im Bereich der Schicht wird diese mit flüssigen oder gasförmigen Medien beaufschlagt, wodurch die
Kunststoffbeschichtung sich nach außen wölbt. Je nach Anordnung und Größe der Hohlräume kann somit die Umfangsfläche einer Walze in einer gewünschten Weise verformt werden.
In der deutschen Patentanmeldung DE 33 24 705 A1 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlräume aufweisenden und schalldämmenden Verkleidung aus Textilfasem beschrieben, die vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt wird, um besonders dröhnempfindliche Bereiche einerseits zu verkleiden, andererseits gegen Luftschall zu dämmen. Die Verkleidung besteht mindestens aus zwei Matten, die aus Textilfasem, z. B. Reißwolle, unter Beimischung eines unter erhöhter Temperatur wirksamen Bindemittels hergestellt sind. Zwischen die Matten wird ein Formkόrper in Form einer Endlosbahn eingelegt. Anschließend werden die einzelnen Lagen genadelt und miteinander verpreßt. Hierbei werden die Matten und die Endlosbahn bereichsweise stärker als in anderen Bereichen verpreßt. Während des Preßvorganges schmilzt oder gast der Förmkörper unter einer
Behandlungstemperatur aus, so daß sich Hohlräume in den Bereichen mit der geringeren Verdichtung beim Pressen bilden. Die Bereiche mit einer höheren Verdichtung dienen als Stege zur Versteifung der
Matten. Außerdem werden hierbei durch die unter Wärme wirksam werdenden Bindemittel die Matte bereichsweise verbunden. Die Formkörper bestehen vorzugsweise aus Schaumstoff, beispielsweise aufgeschäumtes Pollystyrol oder anderen Kunststoffe mit niedriger Vergasungstemperatur.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 679 501 A1 ist ein Composite-Material, insbesondere für die Herstellung von Abdichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik, um
Hohlräume abzudichten, bekannt. Das Composite-Material bestehend aus einem einen Hohlraum bildenen Stützmaterial und einem hierin befindlichem heißschäumenden Material. Unter heißschäumenden Material, z. B. Polymere oder Copolymere von Äthylen und ungesättigten Acrylestem, ist u verstehen, daß dieses Material zumindest teilweise sich in Schaum verwandelt, wenn es erhitzt wird. Das
Stützmaterial, z. B. mit Polyamidbestandteilen, weist eine Schmelztemperatur auf, die größer als die Startemperatur für den Schäumprozess ist. Das Composite-Material wird jeweils in vorgewählten Formen hergestellt, um diese anschließend in einem Einbauort zu plazieren, in dem die Abdichtung erfolgen soll. Hierzu weist das Stützmaterial zumindest eine, vorzugsweise zwei gegenüberliegend angeordnete Öffnungen auf, durch die das nach erfolgter Aktivierung heißschäumende Material entweichen kann und somit der entweichende Schaum das Composite-Material mit den Wänden des Einbauraums abdichtet. Als Herstellungsverfahren für die vorgeformten Composite-Material-Teile ist beispielweise angegeben, zwischen zwei Polyamid-Folien das heißschäumende Material hinein zu extrudieren. Anschließend werden die Composite-Material-Teile in der vorgewählten Form ausgestanzt und hierbei die beiden äußeren Folien miteinander verbunden.
Bei der Herstellung der Abdichtung in dem Einbauraum durch Schäumen findet keine Verformung des Stützmaterials statt, dies hat nur die Funktion den entweichenden Schaum in Richtung der Dichtfiächen zu leiten.
Desweiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 1 926 688 ein Reaktionsspritzgußverfahren für die Herstellung eines Werkzeugteils mit einer dichten äußeren Schicht aus einem Polyurethan-Duromer bekannt. Die Werkzeugteile finden
Anwendung im Fahrzeugbau und in der Haushaltgeräteindustrie, wo Werkzeugteile großer Dimensionen, dicker Querschnitte sowie mit guten Qualitäten benötigt werden. Das Reaktionsspritzgießen des aufschäumenden Polyurethan-Duromers erfolgt in eine Form, die einen Kern aufweist. Der Kern ist aus einer elastischen Hülle mit einer schlauchförmigen Öffnung gebildet und mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Ferner ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 443 364 A2 ein Laminat bekannt, das stabile Befestigungsstellen in einer schäum- oder wabenförmigen Kernschicht aus einem temperaturbeständigen Kunststoff aufweist. Hierzu sind in der Kernschicht schaumförmigen Einsätze zur Bildung der Befestigungsstellen mit einer gegenüber der Kernschicht erhöhten Dichte angeordnet. Die Kernschicht ist mit mindestens einer Deckschicht aus einem faserverstärktem temperaturbeständigen Kunststoff versehen. Derartige Laminate finden bevorzugt beim Innenausbau von Flugzeugen Anwendung. Als Beispel für die Einbringung der Einsätze in die
Kernschicht ist angegeben, Höhlungen in die Kernschicht zu fräsen und in diese treibmittelhaltiges Granulat zu füllen. Das aufschäumende Granulat dringt in die Kernschicht und verankert sich dort. Anschließend können in den Einsatz selbstschneidende Gewindebuchsen eingedreht werden. Auch hier werden die Treibmittel zum Aufschäumen eines Kunststoffs verwendet, um einen Schaum mit hoher Dichte zu schaffen.
Auch ist aus der US 4,113,909 die Herstellung von Wabenstrukturen aus einem Thermoplast für die Verwendung in Leichtbauplatten bekannt. Hierzu wird eine Platte des Thermoplasts zwischen zwei Formplatten eingelegt, erhitzt und anschließend die Formplatten auseinandergefahren. Hierbei haftet der Thermoplast im heißen Zustand an den Formplatten und der auseinandergezogene Thermoplast bildet eine Wabenstruktur.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von besonders leichten und gleichzeitig festen Werkzeugteilen, insbesondere von Leichtbau-Verbundteilen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau-
Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen, durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben. Auch sind den Unteransprüchen 11 bis 16 gasbildende Einlageelemente für die Verwendung in den vorgenannten Verfahren angegeben.
Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau- Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen, durch das Versehen eines Matrixwerkstoffes an vorgewählten Orten mit gasbildenden Treibmittelsubstanzen enthaltenen Einlageelementen und der anschließenden Anregung der Einlageelemente in den Werkzeugteilen zur Gasbildung, eine Aufweitung des Matrixwerkstoffes erreicht, die zur Ausbildung gewichtssparender Makro-Hohlräume führt, die vorteilhafterweise nur mit Gas und einem Rückstand der Treibmittelsubstanz und nicht mit schwererem Schaum gefüllt sind.
Die vorliegende Erfindung erweitert den Stand der Technik durch die Möglichkeit ohne aufwendige Gaszuführung von außen zahlreiche, jedoch einzeln geschlossene Makro-Hohlräumen in einem Matrixwerkstoff entstehen zu lassen, die vorzugsweise zu einer Wabenstrukturbildung mit homogener Verbindung mit den Deckschichten führt.
Vorteilhafterweise werden die zur Gasbildung angeregbaren Einlageelemente, bestehend aus gasbildenden Substanzen und einer Umhüllung oder einer ortsfesten Auftragung, in Form von kreisförmigen, polygonförmigen oder ringförmigen Scheiben auf Netzen fixiert, in ein Werkstückteil einzeln eingelegt, in mindestens zweischichtigen Umwebungen angeordnet, rasterförmig angeordnet für die Einlage zwischen Halbfabrikate oder als Granulat in Folientaschen, um anschließend gepreßt, umspritzt, Beschichtung, injiziert oder als plastifizierte Treibmittel-Masse bei der Coinjection, Extrusion oder Spritzgießung gemeinsam mit den Kunststoffen im Verbund nach der der Gasbildung die Hohlräume zu bilden.
Eine weitere Möglichkeit der ortsfesten Fixierung der Einlageelemente erfolgt mittels Gewebeeinlagen. Die Webmaschine plaziert gezielt die Einlageelemente während des Webvorganges in der programmierten Rasterung. Mehrschüssige Maschinen
plazieren die Einlageelemente in den genannten versetzten Rasterungen in zwei Ebenen. Diese Webeinlagen mit den eingeschlossenen Einlageelementen werden in die Werkzeugteile eingelegt und umspritzt. Durch die nachfolgende Gasbildung erfolgt eine Vorgespannung des Gewebes. Das Verbundwerkstück weist durch die umspritzte Armierung eine höhere Festigkeit auf.
Auch Leichtbau-Verbundwerkstücke mit Hohlräumen können mit erfindungsgemäßen Verfahren kostengünstig in einem Arbeitsgang wahlweise mit Lackfolien und Innendekor als Deckschichten beschichtet werden. Diese Leichtbau- Verbundwerkstücke sind bruch- und hochfest sowie verformungsarm und besonders geeignet für eine Verwendung als Tragteile in dem Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau. Bei Auswahl von faserverstärkten Kunststoffen oder Dünnblechen als Deckschichten werden hochfeste Konstruktionselemente hergestellt. Neben der guten Schall- und Wärmeisolierung durch die Hohlräume wird die Wandstärke der Bauelemente gering gehalten. Die räumlich gekrümmten Schalen mit homogen in einem Arbeitsgang verbundenen versteifenden Verbund, sowie die Nutzung der vielfältigen Holraumgestaltung als Leitungs-, Rohr-, Well-, Doppelwell- Wabenstrukturen sind in zahlreichen weiterführenden Kunststoff- Verarbeitungsverfahren zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung grenzt sich vorteilhafterweise durch die folgenden Merkmale von Schäumen und ausgeschäumten Hohlräumen ab:
Die örtliche Lage der Hohlraumbildung wird durch die Lage der Einlageelemente vorbestimmt. - Die Hohlraumgröße liegt im Makrobereich und wird durch die Größe der
Einlageelemente vorbestimmt.
Der strukturierte Verband, aus der dünnwandigen Umschließung der Hohlräume durch den Matrixwerkstoff, wie auch die Verbindung zu den angrenzenden
Deckschichten besteht aus tragendem homogen verbundenen Werkstoff. - Die Gestaltung der Wandstärke des Matrixwerkstoffes, die Form und Größe der
Hohlräume wird durch Form und Lage, Treibmittelsubstanzmenge vorbestimmt und nach statischer Zweckmäßigkeit angeordnet.
Der strukturierte Verband wird nach Richtung der Form der Einlageelemente und deren Größe entsprechend den Belastungen des Werkstückes ausgerichtet.
Vorteilhafterweise findet die Gasbildung und somit die Enstehung der Hohlräume nur vorbestimmt örtlich begrenzt statt. Die Auslösung der Treibmittelsubstanzen erfolgt nach thermoplastischer räumlicher Verformung des Vorformlings und homogener Verbindung von Schichten oder Prepregs zur Ausbildung der Makro-Hohlräume z.B. für einen versteifenden Verbund, Leitungssystemen, Isolationskammern usw.
Für die rechtzeitige Auslösung des Gasbildungsvorganges der in dem Matrixwerkstoff aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff eingebetteten Einlageelemente kann vorteilhafterweise wie nachfolgend beschrieben erfolgen: Exotherme Prozesse:
Überschreitung eines kritischen Druckes, der zur Gasbildung notwendig ist, durch Einspritzen von zusätzlicher Matrixwerkstoff, durch Pressen und Zusammendrücken einer Form, - Überschreitung einer kritischen Temperatur, die zur Gasbildung notwendig ist, durch äußere zusätzliche Erwärmung wie Strahlung oder Konvektion, durch Aneinanderreiben fester Teilchen mittels Druck oder Verschiebung, durch Aneinanderdrücken von Folien und daraus entstehender Kontaktreibung, Mikrowelleneinstrahlung, Ultraschall, energetischer
Strahlung von außen; Endotherme Prozesse: mechanische Vermischung von gas- bzw. wärmebildenden Komponenten durch äußeren Druck oder Verschiebung, thermisches Aufschmelzen von, mit Schutzschichten umhüllten mindestens zwei Komponenten aufweisende gas- bzw. wärmebildende Substanzen mit anschließender Reaktion,
Aufplatzen von Umhüllungen eingeschlossener Substanzen und Reaktion, Diffusion zweier gasbildender Substanzen, die mittels poröser Folie getrennt sind und zur Auslösung mittels Druck die Folie durchdringen und reagieren; Zeitverzögerte Prozesse: chemische Reaktionen mit konkreter Zeitverzögerung, Erreichen einer kritischen Masse durch Verdichtung zwecks Auslösung der gas- bzw. wärmebildenden Reaktion;
Reaktionsbeginn mittels zusätzlich pro Eilegeelement eingebrachter wärmebildender Zündstoffe Kombination der vorgenannten Prozesse.
Die Vorgänge ders exothermen Gasbildung sind vorteilhafterweise auch mit einer
Wärmeeinbringung in die Matrixwerkstoffschicht verbunden. Die exotherme Reaktion erweicht den Matrixwerkstoff während der Hohlraumbildung. Die endotherme Gasbildung ist bei der Ausdehnung mit einem Temperaturrückgang verbunden, der wiederum für die rasche Verfestigung der thermoplastischen Werkstoffe genutzt werden kann. Ein Vorteil der endothermen Treibmittel liegt im kontrollierterem Ablauf der Gasbildung und den rascheren Zykluszeiten.
Geignet sind außerdem physikalische Treibmittel, die aus leicht verdampfenden Kohlenwasserstoffen bestehen (Pentan bis Heptan KP 30 bis 100°C). Auch sind chemische exotherme Azo- Verbindungen, N-Nitroso- Verbindungen und
Sulfonylhydrazide bei Anspringtemperaturen von 90 bis 275°C verwendbar. Geeignete chemische endotherme Treibmittel sind NaHCO3 und Hydrocerol. Die vorgenannten Stoffe beginnen im allgemeinen bei Erreichen einer Starttemperatur, die den Erfordernissen der Matrixwerkstoff entsprechen, mit der Zersetzung und somit Gasbildung. Das vielgebrauchte Azodicarbonamid kann durch sogenannte Kicker z.B. Pb- und Zn-Stabilisatoren auf 155-200°C als Startemperatur eingestellt werden.
Die Herstellung der Treibmittelsubstanzen erfolgt in Pulver oder Granulatform. Die Treibmittel werden entweder als Granulat im Aufgabetrichter der Schnecke einer Kunststoffspritzgießmaschine beigegeben oder im Falle von Kunststoffkomponenten als Pulver eingerührt. Beim Extrudieren, Spritzgießen, Pressen wird die Gasbildung durch den hohen Verarbeitungsdruck hinausgezögert.
Auch sind gasbildende Einlageelemente mit hitzestabiien Explosivstoff einsetzbar, die mittels elektrischer Zündung vorgeschriebene Gasmengen freisetzen. Diese sind derzeit im Airbag des PKW's im Einsatz. Unempfindliche Explosivstoffe (blasting agents) benötigen zur vollständigen explosiven Umsetzung ein wirksames Zündmittel (Celluiosenitrat, Quecksilber(ll)-fulminat, Bleiacid, Silberacid, Tetrazen, Diaodinitrophenol, Bleitrinitroresorcinat) bzw. Verstärkerladungen (booster) und sind z.B.: Glycerintrinitrat, Glykioldinitrat, Ammoniumnitrat.
Für GFK.CFK, RFK, Holzstoff, Zellstoff als Matrixwerkstoff werden vor duroplastischer Aushärtung und nach Formgebung der Außenkontur durch die Gasbildung innerhalb von Folienblasen bzw. luftmatrazenähnlicher geschweißter Doppelfolien wahlweise bei umschließender Armierung ein doppelt gewellter Verbund oder versteifende
Wabenstrukturen geschaffen, die homogen durch den Innendruck miteinander verbunden und geformt sowie bleibend aushärten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in Zeichnungen schematisch dargestellten Abläufen von Herstellungsverfahren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1A bis 1 D Pressen
Figur 2A bis 2E Blasformen
Figur 3A bis 3C Thermoplast-Verbundblech Figur 4A bis 4F RFK Vakuum Formen oder Faserspritzen und Pressen
Figur 5A bis 5B Spritzgießen mit Co-Injektionsverfahren
Figur 6A und 6B Spritzgießen im „In Mold Coating,,
Figur 7A bis 7D Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren „Netz"
Figur 8A bis 8D Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren „Prepreg" Figur 9A bis 9C Spritzgießen Gasdruck-Schmelzverfahren mittels Vorformling-
Einlege-Verfahren
Figur 10 Zweikomponenten Einspritzung
Figur 11 A und 11 B Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen
Figur 12 Ummantelte Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen
Figur 13A bis 13C Hinterspritzverfahren
Figur 14A und 14B Armierung
Figur 15A bis 15 C Thermoplastisches Verformen
Die Figuren 1A bis 1 D zeigen schematisch den Ablauf ein Preßvorganges. Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 und 2 (siehe Figur 1A) einer nicht dargestellten Presse wird ein vorgefertigtes Verbundteil bestehend aus einer linken Deckschicht 4, einem Matrixwerkstoff 5 und einer rechter Deckschicht 6 gelegt. Links von dem Matrixwerkstoff 5 sind in einem Raster angeordnete gasbildende Einlageelemente 7a aufgebracht. Hierzu sind in einem versetzten Raster rechts von dem Matrixwerkstoff 5
weitere gasbildende Einlageelemente 7b aufgebracht. Diese Schichten aus Matrixwerkstoff 5 und Einlageelementen 7a, 7b können wahlweise mehrlagig ausgeführt sein. Durch Zusammenfahren der Werkzeugteile (siehe Figur 1 B) wird das Verbundteil verpreßt und durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung der Einlegeelemente 7 ausgelöst. Nach vollständiger Gasbildung werden die
Werkzeugteile 1 , 2 (siehe Figur 1 C). auseinandergefahren, wobei mittels einer abdichtenden Tauchkante 11 die Werkzeugteile 1 , 2 gegeneinander abgedichtet sind, um den Gasdruck zur Aufweitung des Matrixwerkstoffes 5 aufrechtzuerhalten. Das aus den Werkzeugteilen 1 , 2 herausgelöste Werkstück (siehe Figur 1 D) besteht nun aus der linken Deckschicht 4, dem Matrixwerkstoff 5, der nun durch den Gasdruck räumlich verformt ist, und der rechten Deckschicht 6. Die Rückstände 12 der gasbildenden Einlageelemente 7 verbleiben in den Hohlräumen 9. Durch eine Ausbildung der Einlegeelemente 7 in Form von Kreisen, Sechsecken oder Achtecken und eine entsprechende Versetzung der Einlegeelemente 7 auf den beiden Seiten des Matrixwerkstoffes 5 können honeycomb-förmige Zwischenschichten erzielt werden, die abgeschlossene Makro Hohlräume 9 aufweisen und homogen mit den Deckschichten 4, 6 verbunden sind. Wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil besteht darin, daß dieses Verbundteil in einem Arbeitsgang ohne den sonst zusätzlichen Schritt der Verklebung der Deckschichten mit dem honeycombförmigen Matrixwerkstoff herstellbar ist.
Die Figuren 2A bis 2E zeigen schematisch den Ablauf ein Blasformvorganges. Ein wesentlicher Anwendungsfall der plastisch eingebrachten gasbiidenden Einlageelemente 7 ist beim Blasformen denkbar. Die Vorformlinge zum Blasformen werden entweder im Spritzgießverfahren hergestellt (siehe Figuren 7 oder 8) oder - wie hier in den Figuren 2 A bis B gezeigt - extrudiert. Der eigentliche Blasvorgang ist unabhängig von der Herstellung der Vorformlinge und in den in Figuren C bis E dargestellt.
In der Figur 2A ist ein Teil eines Querschnitts einer 5 fach Co-Extrusionsdüse dargestellt, die um die Achse 22 einen Drehkörper bildet. Die 5 verarbeitbaren Materialien bestehen aus der oberen Deckschicht 4, den oberen gasbildenden Einlageelementen 7a, dem Matrixwerkstoff 5, den unteren Einlageelementen 7b und der unteren Deckschicht 6. Während des Extrusionsvorganges werden die oberen 7a und unteren 7b gasbildenden Einlageelemente rasterförmig zwischen die
Deckschichten 4, 6 und den Matrixwerkstoff 5 eingebracht. Dies wird durch segmentiert unterteilte Schieber 23 durch Hin- und Herschieben gesteuert. Es entsteht somit ein rohrfömiger kontinuierlich extrudierter Schlauch 21. In Figur 2B ist der extrudierte Schlauch 21 im Querschnitt dargestellt. Die rasterförmig oben eingebrachten gasbildenden Einlageelemente 7a sind um eine Rasterung versetzt, gegenüber den rasterförmig unten eingebrachten gasbildenden Einlageelementen 7b. Im bekannten Herstellverfahren der Vorformlinge wird ein Teil des Schlauches abgeschnitten und verquetscht. Dieser Vorformling 28 wird wie in Figur 2C dargestellt in die Form 29 eingebracht und geblasen. In Figur 2D ist gezeigt, wie ein Initiator 30 für die Anregung der Gasbildung der Einlageelemente 7 eingebracht wird.
Beispielsweise mittels UV-Licht wird die Gasbildung gezündet. Bei noch teigigem Material 4, 5, 6 werden die gasbildenden Einlageelemente 7 die Hohlraumbildung 8 auslösen und ein mehrschichtiges Werkstück bilden. Das mehrschichtige Werkstück weist einen doppelt gewellten Innenverbund bei glatter Außenwand auf. Die Doppelwandung gibt Sicherheit gegen Leckagen, erhöht die Wärmeisolation und die
Standsicherheit des Behälters.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen schematisch den Ablauf für die Herstellung von Thermoplast-Verbundblechen. Zwischen eine obere Blechplatte 34 und eine untere Blechplatte 35 wird ein thermoplastischer Vorformling eingelegt (siehe Figur 3A).
Dieser Vorformling besteht aus einer oberen Deckschicht 4, den oberen gasbildenden Einlageelementen 7a, dem Matrixwerkstoff 5, den unteren gasbildenden Einlageelementen 7b und der unteren Deckschicht 6. Die Figur 3 B zeigt das in einem nichtdargestellten Gesenkbiegepresse verformte Thermoplast-Verbundblech, das anschließend in Figur 3C nach Initiierung der Gasbildung und wahlweiser endothermer Wärmebildung durch den Gasdruck den Matrixwerkstoff 5 thermoplastisch verformt und hierbei das Gesenk auseinandergefahren.
Die Figuren 4A bis 4F zeigen schematisch den Ablauf für das RFK-Vakuum-Formen oder Faserspritzen und Pressen. In das Werkzeugteil 1 wird eine untere Deckschicht 4 als Faser-Kunststoff-Lage 19 in Form von kunstharzgetränkten Fasern mittels eines Spritzkopfs 17, der geschwenkt wird, aufgebracht (siehe Figur 4A). Dannach werden (siehe Figur 4B) gasbildende Einlageelemente 7a plaziert. Der Matrixwerkstoff 5 wird ebenfalls als Faserspritzung 18 eingebracht (siehe Figur 4 C). Dannach werden die oberen gasbildenden Einlageelemente 7b plaziert (siehe Figur 4 D). Als Abschluß wird
die obere Deckschicht 6 eingespritzt (siehe Figur 4E). Die Forml wird nun mittels eines Werkzeugteils 2 verschlossen und verpreßt. Wahlweise wird die Luft mittels Vakuum abgesaugt (Folienverfahren). Die Tauchkante 11 der Werkzeugteile 1 und 2 dichten ab. Die Faserschichten werden verpreßt, so daß die Fasern der Schichten untereinander verhaken. Mittels Druck, Temperatur oder beispielsweise UV Licht wird die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 4 F). In Figur 4G wird nach gleichmäßiger Gasbildung das obere Werkzeugteil 2 abgehoben und der noch nicht ausgehärtete Matrixwerkstoff 5 wird durch den Gasdruck räumlich verformt. Figur 4 H zeigt das, nach Aushärten des Kunststoffes entnommene Werkstück mit der oberen Deckschicht 6, dem Matrixwerkstoff 5 und der unteren Deckschicht 4. In den
Hohlräumen 9 verbleiben die Rückstände 12 des gasbildenden Einlageelementes 7. Somit ist in einfacher Weise ein Leichtbau-Werkstück mit Hohlräumen herstellbar.
Die Figuren 5A und 5B zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen im Coinjektionsverfahren. Die Co-Injektionsdüse in der Figur 5 A ist 3-lagig ausgeführt gezeichnet. Mit 4 ist die obere Deckschicht und mit 6 die untere Deckschicht bezeichnet. Die mittlere Düse injiziert die gasbildenden Einlegelemente 7 als Bestandteil eines spritzbaren Kunststoffes. Mittels des Schiebers 23 wird die Zwischenschicht in Form von Einlegeelementen 7 alternierend zwischen die Deckschichten 4, 6 gepreßt. Entsprechend der Viskosität der Schichten 4, 6, 7 bildet sich ein gleichmäßiger Strom aus Deckschichten und Einlegeelementen 7, der sich zwischen die Werkzeugteile 1 und 2 ergießt. In Figur 5B werden nach Initiierung der Gasbildung die Werkzeugteile 1 und 2 auseinander bewegt, die durch die Ausbildung einer Tauchkante 11 an dem Werkzeugteil 1 dicht bleibt, so daß die Hohlraumbildung 9 durch den Gasinnendruck den Matrixwerkstoff 5 räumlich verformt. Dieses
Verfahren dient vor allem zur Nutzung von Recycling-Material. Die Verwendung von plastischem Treibmittel unterhalb der Reaktionstemperatur und die gezielte Co- Injektion, wahlweise mit Unterbrechung der Einspritzung, sowie anschließende Auslösung des Gasbildungsvorganges und Auseinanderfahren der Werkzeugteile 1 , 2 beim Abkühlen ergibt ein Spritzgießwerkstück mit einer Doppelwand und wahlweise mit Stegen.
Die Figuren 6A und 6B zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen im „In Mold Coating"-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Werkstoffverbund aus einer Lackfolie 46 und einem mit gasbildenden Einlageelementen 7, der unterhalb der
Reaktionstemperatur der Treibmittel vorgewärmt ist, in ein Werkzeugteil 2 eingelegt und durch Schließen des Werkzeugteils 2 und des Kernzugs 3 verpreßt. Anschließend wird der Matrixwerkstoff 5 von der Seite des Werkzeugteils auf die Lackfolie 46 mit gasbildenden Einlageelementen 7 gespritzt. Die gasbildenden Einlagestücke 7 sind nun erhitzt und Gasbildung läuft an, so daß das Werkzeugteil 1 entsprechend der gewünschten Verbundstärke während der Aufweitung des Matrixwerkstoffes 5 aufgefahren wird.
Die Figuren 7A und 7D zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren "Netz". Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 , 2 wird ein vorgefertigtes Einlegeteil, bestehend aus einem Netz 13, auf dem im Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7 aufgebracht sind, eingelegt (siehe Figur 7A). Nach dem Zusammenfahren der Werkzeugteile 1 , 2 in Figur 7B kommen die Einlegeteile 7 des Netzes 13 zwischen den Werkzeugteilen 1 und 2 zum Liegen, wobei vorteilhaft eine Vorrichtung zur Abstandshaltung einen gleichmäßigen Abstand zwischen der Innenwand der Werkzeugteile 1, 2 und dem Netz 13 herstellt. In Figur 7C ist die Schmelzeinbringung dargestellt. Die Injektionsdüse 14 spritzt den Kunststoff in die Form und umspült als Matrixwerkstoff 5 die gasbildenden Einlegeteile 7, die durch das Netz 13 in den vorgesehenen Abständen gehalten werden. Die Gasbildung 8 wird durch z. B. durch Druck und/oder Temperatur eingeleitet (siehe Figur 7D). Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile auseinandergefahren, wobei mittels Tauchkante 11 die Werkzeugteile 1 , 2 dicht bleiben. Es bilden sich Hohlräume 9, die von plastisch verformtem Kunststoff 15, der sich aus der Matrixwerkstoff 5 bildet, umschlossen sind. Die gasbildenden Einlegeelemente 7 können wahlweise in mehreren Ebenen zur Bildung räumlich zweiachsig gekrümmter Matrixwerkstoffe 5 (eierkartonförmig) eingebracht werden.
Die Figuren 8A und 8D zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren "Prepreg". Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 , 2 wird ein vorgefertigter Einlegeteil bestehend aus einem Matrixwerkstoff 5 eingelegt. Links von dem Matrixwerkstoff 5 sind im Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7a und rechts von der Matrixwerkstoff 5 sind im versetzten Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7b aufgebracht (siehe Figur 8A). Diese Schichten können wahlweise mehrfach ausgeführt sein. Nach dem Zusammenfahren der Werkzeugteile 1 und 2 (siehe Figur 8B) wird der Einlegeteil der Formkontur
angepaßt verpreßt und die rechte Deckschicht 6 mittels einer Injektionsdüse 14a in die Form eingespritzt. In Figur 8C wird das Einspritzen der rechten Deckschicht 4 dargestellt. Mittels einer zweiten Injektionsdüse 14b wird vorteilhaft ein heißer schmelzender Kunststoff eingespritzt, der z.B. durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 8 D). Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile 1, 2 auseinandergefahren, wobei mittels Tauchkante 11 die Werkzeugteile dicht bleiben.
Das Werkstück besteht nun aus der linken Deckschicht 4, dem Matrixwerkstoff 5, der nun durch den Gasdruck räumlich verformt ist, und der rechten Deckschicht 6.
Die Figuren 9A und 9C zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mit Gasdruck-Schmelzverfahren. Nach Einlegen der rechten Deckschicht 4 und der gasbildenden Einlageelemente 7 werden die Werkzeugteile 1 und 2 geschlossen (siehe Figur 9A). In Figur 9B wird der Einspritzvorgang dargestellt, wobei die rechte Deckschicht 6 über die Einspritzdüse 14 injiziert wird. Durch die Temperatur und/oder Druck wird die Gasbildung ausgelöst. In Figur 9C wird der Rückfluß der Kunststoffschmelze 39 durch die Injektionsdüse 14 dargestellt, so daß durch den Gasdruck die Hohlräume 9 entstehen.
Die Figuren 10 zeigt schematisch den Ablauf für eine Zwei-Komponenten
Einspritzung. Die plastische Einbringung der gasbildenden Substanzen erfolgt bei Zwei-Komponentenmaschinen mittels Injektion der in den Thermoplaststrom der zwei Kunststoff-Deckschichten 4 und 6. Gemäß der Fließgesetze werden die Schichten 32 in den Werkzeugteilen 1 und 2 verteilt und bilden Stellen mit gasbildenden Eigenschaften 33. Die plastische Einbringung der gas- bzw. wärmebildenden
Einlegeelemente 7 kann z. B. auf Zweifarbenmaschinen erfolgen. Sowohl Menge und Abstand der Einlegeelemente wird über die zweite Komponente gesteuert, bzw. von der Injektionsdüse nach Lage und Menge verteilt. Die Werkzeugteile 1 und 2 werden auf Druck gehalten bis alle Einlegeelemente 7 initiiert sind, um durch anschließendes Öffnen der Form die Bildung der Hohlräume zu ermöglichen.
Die Figuren 11 A bis 1 1 D zeigen schematisch den Ablauf für eine Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen 7. Der Werkzeugteil 1 ist mit zahlreichen Einspritznadeln 20 versehen, die in der Axiallage verschiebbar angeordnet sind (siehe Figur 11 A). Zwischen die Werkzeugteile 1 , 2 wird der Matrixwerkstoff 5 über eine
Injektionsdüse 14 eingespritzt (siehe Figur 11 B). Die Injektsionsnadeln 20 im Werkzeugteil 1 werden in die Matrixwerkstoff 5 eingefahren (siehe Figur 1C). Die gasbildenden Einlegeelemente 7 werden wahlweise unter Auseinanderfahren der Werkzeugteile 1 und 2 eingespritzt und z.B. durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 11 D). Die Injektionsnadeln 20 werden zurückgefahren. Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile 1 und 2 auseinandergefahren, wobei mittels der Tauchkante 11 die Form dicht bleibt. Es bilden sich Hohlräume 9, die von plastisch verformtem Kunststoff 15, der sich aus der Matrixwerkstoff 5 bildet, umschlossen sind. Die Injektionsnadeln 20 werden für mehrlagige Hohlraumschichten in den Ebenen in entsprechenden unterschiedlichen Axiallagen eingefahren.
Die Figur 12 zeigt schematisch den Ablauf für eine ummantelte Implantierung von gasbildenden Einlageelementen. Eine weitere Form der Implantierung von gasbildenden Einlageelementen ist in Figur 12 dargestellt. Die Injektionsnadel besteht aus zwei konzentrischen Röhren. Die innere Röhre 45 und die äußere Röhre 42 werden in den Matrixwerkstoff 5 eingefahren. Im ersten Schritt wird einen zäherer nieder-schmelzender Kunststoff 41 als dem Matrixwerkstoff 5 durch den Zwischenraum der äußeren und inneren Röhre 43 injiziert. Das gasbildende Einlageelement wird durch die innere Röhre 44 in die umhüllende Blase 41 eingespritzt. Anschließend werden die Injektionsnadeln zurückgezogen, so daß eine mit zähem Kunststoff umhüllte Blase aus gasbildenden Substanzen entsteht.
Die Figuren 13A und 13C zeigen schematisch den Ablauf für ein Hinterspritzgießverfahren. In das Werkzeugteil 1 wird das zu hinterspritzende
Material, beispielsweise ein Textil 41 , eingelegt. Mittels einer Austragsdüse 40 wird die Schmelze als Matrixwerkstoff 5 aufgetragen. Nach der ersten Schicht hinter dem Textil 41 werden die gasbildenden Einlageelemente eingelegt und anschließend mit Matrixwerkstoff 5 bedeckt (siehe Figur 13A). In Figur 13 B wird das Werkzeugteil 2 durch Einfahren des Werkzeugteiles 1 und des Kernzugs 3 geschlossen. Nach Verpressen des Matrixwerkstoffs 5 mit dem Textil 41 und den gasbildenden Einlageelementen 7 wird die Gasbildung 8 angeregt. In Figur 13 C wird der Werkzeugteil 1 auseinandergefahren und der Werkzeugteil 3 verpresst weiterhin die Schmelze und das Textil 41. Die Hohlräume 9 entstehen im Bereich des Werkzeugteiles 1.
Die Figuren 14A und 14B zeigen schematisch den Ablauf für das Verfahren "Armierung". In Figur 14A ist eine einschichtige gasbildende Schicht aus Einlageelementen 7 mittels einer Armierung in Form von Gewebefäden umschlossen. Die erste Armierungslage 36 umschlingt wechselweise die Einlageelemente 7, während die zweite Armierungslage auf der anderen Seite der Einlageelemente 7 zu liegen kommt. Wahlweise können anschließend die Deckschichten 4 und 6 aufgebracht werden. In Figur 14B ist eine zweischichtige gasbildende Einlageschicht 7a und 7b dargestellt. Beide Lagen umschließen den Matrixwerkstoff 5. Die erste Armierungsschicht 36 umschlingt wechselweise zur zweiten Armierungsschicht 37 und wechselweise die dritte Armierungsschicht 38. Wahlweise werden die Deckschichten 4 und 6 aufgebracht.
Die Figuren 15A bis 15C zeigen schematisch den Ablauf für das Verfahren "Thermoplastisches Verformen" anhand eines 4-lagigen Werkstückes mit 3 Lagen aus gasbildenden Einlagen 7a bis 7c. Die obere Deckschicht 4 und der obere Matrixwerkstoff 5a umschließen die gasbildenden oberen Einlageelemente 7a. Zwischen den Matrixwerkstoffen 5a und 5b liegen die gasbildenden mittleren Einlageelemente 7b. Und zwischen der Matrixwerkstoff 5b und der unteren Deckschicht 6 liegen die unteren gasbildenden Einlageelemente 7c. Durch den von außen initiierten Gasinnendruck und ein Auseinanderfahren der Deckschichten 4, 6 ensteht die thermoplastische Verformung der Matrixwerkstoffe 5a und 5b, so daß das Werkstück in Figur 15 C entsteht und nach dem Auskühlen eine hohe Festigkeit aufweist.
Bezugszeichenliste
1 erstes Werkzeugteil 23 Schieber
2 zweites Werkzeugteil 28 Vorformling zum Biasformen
3 Kernzug 29 Blasform
4 erste Deckschicht 2e > 30 Initiiator
5 Matrixwerkstoff 32 Bläh-Substanz-Schicht
6 zweite Deckschicht 33 Gasbildende Schicht
7 Einlageelemente 34 obere Blechplatte
9 Hohlraum 35 untere Blechplatte
11 Tauchkante 3c ) 36 erste Armierungslage
12 Rückstande 37 zweite Armierungslage
13 Netz 38 dritte Armierungslage
14 Injektionsdüse 39 Rückfluß der
15 räumlich verformter Kunststoffschmelze
Matrixwerkstoff 3ε i 40 Hinterspritzeinrichtung
17 Spritzeinrichtung 41 umschließende Kunststoffblase
19 Faser-Kunststoff-Lage 42 äußeres Injektionsrohr
20 Injektionsdüse 43 inneres Injektionsrohr
21 extrudierter mehrschichtiger 44 gasbildende Substanz
Schlauch c ) 45 niedrigschmelzender Kunststoff
22 Achse der Düse 46 Lackfolie