DE102010043049B4

DE102010043049B4 - Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils

Info

Publication number: DE102010043049B4
Application number: DE102010043049.8A
Authority: DE
Inventors: Joerg Theinert; Falko Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: DE102010043049A1

Abstract

Werkzeug, mit folgenden Merkmalen: • mindestens zwei Werkzeughälften (1), • einer durch die Werkzeughälften (1) gebildeten Formkavität, • mindestens einem Schieberelement (3), das in einer komplementär zu einem Außenumfang des Schieberelements (3) gestalteten Ausnehmung (2) einer der Werkzeughälften (1) verschiebbar angeordnet ist und das einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, wobei es sich bei dem Werkzeug um ein Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils handelt, wobei • die Formkavität so bemessen ist, dass darin ein aus einem mehrlagigen Fasermaterial bestehender Vorformling Platz findet, • das Werkzeug einen Einlass aufweist, der dazu vorgesehen ist, flüssiges Kunststoffmaterial, insbesondere flüssiges Kunstharz in die Formkavität zu leiten, • das Schieberelement (3) ein Untermaß in Bezug auf die Ausnehmung (2) aufweist, wenn das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) im Bereich der Ausnehmung (2) in etwa dieselbe Temperatur haben, • eine Temperiereinrichtung vorgesehen ist, mittels der das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) so relativ zueinander temperiert werden, dass der Außenumfang des Schieberelements (3) vollständig dicht am Innenumfang der Ausnehmung (2) anliegt und • eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Temperiereinrichtung zyklisch entsprechend eines Fertigungszyklus', gemäß dem ein Kunststoffteil in dem Werkzeug hergestellt wird, steuert, wobei • das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) vor dem Einleiten flüssigen Kunststoffmaterials und solange das Kunststoffmaterial so flüssig ist, dass die Gefahr des Eindringens flüssigen Kunststoffmaterials zwischen das Schieberelement (3) und die Ausnehmung (2) bestünde, so temperiert sind, dass das Schieberelement (3) und die Ausnehmung (2) eine Presspassung bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung, betrifft ein Werkzeug zur Herstellung eines Kunststoffteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein Werkzeug mit zwei Werkzeughälften, welche eine Formkavität bilden, und einem Schieberelement ist aus der DE 601 26 054 T2 bekannt. Zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung zählen die DE 10 2007 002 298 A1 , EP 0 439 972 B1 , DE 10 2006 003 545 A1 sowie die DE 198 05 466 A1 .
Karosserieteile von Fahrzeugen können anstatt als Blechteile auch als faserverstärkte Kunststoffteile dargestellt werden. Zur Verstärkung derartiger Kunststoffteile werden üblicherweise mehrlagige „Fasermatten” verwendet, die z. B. aus Kohlefasern, Glasfasern, Metalldrähten und/oder anderen Materialien hergestellt sein können. Bei den Strukturen der einzelnen Lagen kann es sich beispielsweise um Gewebe, Gelege, Gewirke o. ä. handeln. Zur Herstellung eines dreidimensionalen Kunststoffteils wird zunächst die zu verwendende „Fasermatte” in eine dem herzustellenden Kunststoffbauteil ähnelnde Form umgeformt. Man spricht dabei von einem sog. „Vorformling” bzw. „Preform”. Den Vorgang des Umformens bezeichnet man als „Vorformen” oder „Preforming”.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils wird der gepresste Vorformling in ein „Spritzwerkzeug” (ein sogenanntes „Rapid Transfer Molding-Werkzeug”) eingebracht. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird flüssiges Kunstharz in die Werkzeugkavität eingebracht. Nach dem Aushärten des Kunstharzes, was ca. 8 Minuten dauert, kann das fertige Kunststoffteil entnommen werden.
Zur Herstellung komplexerer Geometrien, die Hinterschnitte o. ä. aufweisen, werden Spritzwerkzeuge mit Schieberelementen benötigt. Die Schieberelemente sind üblicherweise verschiebbar in Ausnehmungen des Werkzeugs angeordnet. Um ein Festkleben der Schieberelemente in den betreffenden Ausnehmungen zu vermeiden, muss sichergestellt sein, dass kein Harz zwischen die Schieberelemente und die Ausnehmungen eindringt. Da flüssiges Kunstharz in etwa dieselbe Viskosität wie Wasser hat, liegt es auf der Hand, dass eine zuverlässige Abdichtung eines Schiebers gegenüber der betreffenden Ausnehmung technisch nicht trivial ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rapid Transfer Molding-Werkzeug mit mindestens einem Schieberelement zu schaffen, das in einer Ausnehmung des Werkzeugs verschiebbar angeordnet ist, wobei sichergestellt ist, dass ein Eindringen flüssigen Kunststoffmaterials zwischen das Schieberelement und das Werkzeug verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildung der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Werkzeug, das zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils vorgesehen ist. Das Werkzeug weist mindestens zwei Werkzeughälften auf, nämlich mindestens ein Unterwerkzeug und mindestens ein relativ dazu verfahrbares Oberwerkzeug. Die mindestens zwei Werkzeughälften bilden bei geschlossenem Werkzeug eine Formkavität. Die Formkavität ist so bemessen, dass darin ein aus einem mehrlagigen Fasermaterial bestehender vorgepresster Vorformling Platz findet.
Der Vorformling kann beispielsweise aus Kohlefasern, Glasfasern, Metalldrähten o. ä. bestehen. Die einzelnen Lagen des Vorformlings können die Struktur von Geweben, Gewirken, Gelegen o. ä. haben. Der Vorformling kann eine Dicke von bis zu mehreren Millimetern haben.
Das Werkzeug weist ferner einen Einlass auf, der in einer der Werkzeughälften oder zwischen den Werkzeughälften vorgesehen ist. Über den Einlass kann flüssiges Kunststoffmaterial, insbesondere flüssiges Kunstharz in die Formkavität geleitet werden.
Das Werkzeug weist ferner mindestens ein Schieberelement auf. Mittels derartiger Schieberelemente lassen sich auch kompliziertere Kunststoffteilgeometrien erzeugen, insbesondere Geometrien mit Hinterschnitten. Das mindestens eine Schieberelement ist in einer komplementär zu einem Außenumfang des Schieberelements gestalteten Ausnehmung einer der Werkzeughälften verschiebbar angeordnet. Zum Verschieben des Schieberelements ist ein Aktuator vorgesehen, der in die betreffende Werkzeughälfte integriert sein kann. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen hydraulischen oder elektrischen Aktuator handeln.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einer geeigneten Temperierung des Schieberelements und der dem Schieberelement zugeordneten Werkzeughälfte, derart, dass in Zuständen, in denen das in die Formkavität eingebrachte Kunststoffmaterial (noch) flüssig ist, durch geeignete Temperierung ein Presssitz zwischen dem Schieberelement und der Ausnehmung erzeugt wird, wodurch zuverlässig verhindert wird, dass flüssiges Kunststoffmaterial zwischen das Schieberelement und die Ausnehmung eindringen kann.
Zur Erzeugung einer Presspassung kann das Schieberelement in Bezug auf die Ausnehmung aktiv beheizt und/oder die Ausnehmung in Bezug auf das Schieberelement aktiv gekühlt werden. Denkbar ist auch, dass das Schieberelement beheizt und gleichzeitig die Werkzeughälfte im Bereich der Ausnehmung aktiv gekühlt wird.
Die erfindungsgemäße Methode kommt insbesondere für Schieberelemente in Betracht, die einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen, da eine Abdichtung bewegter Elemente, die nichtkreisförmige Querschnitte aufweisen, technisch sehr diffizil ist. Nichtkreisförmige Passungen können nämlich üblicherweise nicht mit so engen Toleranzen hergestellt werden, wie kreiszylindrische Passungen, was eine spezielle Abdichtung beim Einbringen flüssigen Kunststoffmaterials erforderlich macht.
Gemäß der Erfindung weist das Schieberelement ein Untermaß in Bezug auf die Ausnehmung auf, sofern das Schieberelement und die zugeordnete Werkzeughälfte im Bereich der Ausnehmung etwa dieselbe Temperatur haben.
Gemäß der Erfindung ist ferner eine Temperiereinrichtung vorgesehen, mittels der das Schieberelement und die zugeordnete Werkzeughälfte so relativ zueinander temperiert werden können, dass sich eine Presspassung zwischen dem Schieberelement und der Ausnehmung ergibt. „Presspassung” bedeutet, dass der Außenumfang des Schieberelements vollständig dicht am Innenumfang der Ausnehmung anliegt.
Um einen schnellen Wechsel zwischen den Zuständen „Abdichten” und „Schieber bewegen” zu ermöglichen, kann auch vorgesehen sein, dass mittels der Temperiereinrichtung der zuvor aufgeheizte Schieber aktiv gekühlt und/oder die zuvor abgekühlte Werkzeughälfte im Bereich der Ausnehmung aktiv aufgeheizt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche die Temperiereinrichtung zyklisch steuert, entsprechend einem Fertigungszyklus, gemäß dem mit dem Werkzeug Kunststoffteile hergestellt werden.
Ein zentrales Merkmal dieser Temperatursteuerung besteht darin, dass vor dem Einleiten flüssigen Kunststoffmaterials und solange das Kunststoffmaterial (noch) flüssig ist, eine Temperaturdifferenz zwischen dem Schieberelement und der Ausnehmung eingestellt wird, die eine hinreichende Presspassung erzeugt.
Die Erfindung ist insbesondere für Werkzeuge geeignet, bei denen das flüssige Kunststoffmaterial mit hohen Drücken von z. B. mehr als 50 bar, in die Formkavität gepresst wird. Mit einer Temperatursteuerung gemäß der Erfindung kann selbst bei derart hohen Drücken eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Schieberelement und der Ausnehmung der betreffenden Werkzeughälfte sichergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Die 1–3 beschreiben die Erfindung in schematischer Darstellung.
1 zeigt eine Werkzeughälfte 1 eines hier nicht näher dargestellten Rapid Transfer Molding-Werkzeugs. Die Werkzeughälfte 1 weist eine Ausnehmung 2 auf, welche hier die Form eines Rechtecks hat. In der Ausnehmung 2 ist ein ebenfalls rechteckförmiges Schieberelement verschiebbar angeordnet. Das Schieberelement 3 kann durch einen hier nicht näher dargestellten Aktuator, der in die Werkzeughälfte 1 integriert sein kann, senkrecht zur Zeichenebene verschoben werden.
Haben die Werkzeughälfte 1 und das Schieberelement 3 dieselbe Temperatur, so besteht zwischen der Ausnehmung 2 und dem Schieberelement 3 ein Spalt x von z. B. 0,03 mm. Diese „Schieberluft” ist erforderlich, um sicherzustellen, dass das Schieberelement 3 zuverlässig, d. h. ohne zu verkanten bzw. zu verklemmen in der Ausnehmung 2 verschoben werden kann. Würde man bei einem derartigen Spalt flüssiges Kunststoffmaterial, das in etwa die Flüssigkeit von Wasser aufweist, in eine Formkavität (nicht dargestellt) des Werkzeugs einbringen, so würde es unvermeidlich in den Spalt zwischen der Ausnehmung 2 eindringen, was nicht akzeptabel ist, da es beim anschließenden Aushärten des Kunststoffmaterials zu einem Festkleben des Schieberelements 3 in der Ausnehmung 2 käme.
Aus diesem Grund werden die Werkzeughälfte 1 im Bereich der Ausnehmung 2 und das Schieberelement 3 vor dem Einbringen flüssigen Kunststoffmaterials und solange das flüssige Kunststoffmaterial noch flüssig ist, derart temperiert, dass sich eine das flüssige Kunststoffmaterial vollständig abdichtende Presspassung ergibt.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das Schieberelement 3 mittels einer Heizeinrichtung relativ zu der Werkzeughälfte 1 im Bereich der Ausnehmung 2 erwärmt oder/und die Werkzeughälfte 1 im Bereich der Ausnehmung 2 durch eine hier nicht näher dargestellte Kühleirichtung in Bezug auf die Temperatur des Schieberelements 3 abgekühlt wird.
3 zeigt schematisch einen möglichen Verlauf der Temperaturdifferenz Δθ über der Zeit t während eines Fertigungszyklus', in dem ein Kunststoffteil gefertigt wird.
Zunächst wird in das geöffnete Werkzeug ein Vorformling, der aus einem mehrlagigen Fasermaterial gepresst wurde, eingebracht. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen. Vor dem Einbringen flüssigen Kunststoffmaterials in eine Kavität des Werkzeugs wird zwischen der Werkzeughälfte 1 und dem Schieberelement 3 eine Temperaturdifferenz Δθ₁ eingestellt, die größer als eine Mindesttemperaturdifferenz Δθ_dicht ist. Δθ_dicht ist die minimale Temperaturdifferenz zwischen der Werkzeughälfte 1 und dem Schieberelement 3, ab der die Presspassung so eng ist, dass ein Eindringen flüssigen Kunststoffmaterials zwischen das Schieberelement 3 und die Ausnehmung 2 vermieden wird.
Anschließend wird die Werkzeugkavität mit flüssigem Kunststoffmaterial gefüllt, wobei der Druck des flüssigen Kunststoffmaterials größer als 50 bar sein kann. Im Zeitpunkt t₀ ist die Werkzeugkavität vollständig mit flüssigem Kunststoffmaterial befüllt. Im Zeitraum zwischen t₀ und t₁ beginnt das Aushärten des flüssigen Kunststoffmaterials. Im Zeitpunkt t₁ ist das flüssige Kunststoffmaterial zumindest so weit ausgehärtet, dass keine Gefahr mehr besteht, dass Kunststoffmaterial zwischen die Ausnehmung 2 und das Schieberelement 3 eindringt. Dementsprechend kann die Temperaturdifferenz Δθ zwischen der Werkzeughälfte 1 und dem Schieberelement 3 abgesenkt werden.
Prinzipiell könnte die Temperaturdifferenz auf 0 Kelvin abgesenkt werden, d. h. die Werkzeughälfte 1 und das Schieberelement 3 könnten ab dem Zeitpunkt t₂ sogar dieselbe Temperatur haben.
Im Zeitraum zwischen t₂ und t₃ lässt man das Kunststoffteil bei weiterhin geschlossenem Werkzeug so weit aushärten, bis es aus dem Werkzeug entnommen werden kann. Ist das Kunststoffteil hinreichend ausgehärtet, so wird das Werkzeug geöffnet, das mindestens eine Schieberelement 3 wieder in seine eingefahrene Position zurückgefahren und das Kunststoffteil aus dem Werkzeug entnommen.
Im Zeitraum zwischen t₃ und t₄ wird das Werkzeug für einen weiteren Fertigungszyklus vorbereitet, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen der Werkzeughälfte 1 im Bereich der Ausnehmung 2 und dem Schieberelement 3 wird wieder auf die Temperaturdifferenz Δθ₁ „hochgefahren”. In dieser Phase kann ein neuer Vorformling zur Herstellung eines weiteren Kunststoffteils in das geöffnete Werkzeug eingebracht werden.

Claims

Werkzeug, mit folgenden Merkmalen: • mindestens zwei Werkzeughälften (1), • einer durch die Werkzeughälften (1) gebildeten Formkavität, • mindestens einem Schieberelement (3), das in einer komplementär zu einem Außenumfang des Schieberelements (3) gestalteten Ausnehmung (2) einer der Werkzeughälften (1) verschiebbar angeordnet ist und das einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, wobei es sich bei dem Werkzeug um ein Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils handelt, wobei • die Formkavität so bemessen ist, dass darin ein aus einem mehrlagigen Fasermaterial bestehender Vorformling Platz findet, • das Werkzeug einen Einlass aufweist, der dazu vorgesehen ist, flüssiges Kunststoffmaterial, insbesondere flüssiges Kunstharz in die Formkavität zu leiten, • das Schieberelement (3) ein Untermaß in Bezug auf die Ausnehmung (2) aufweist, wenn das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) im Bereich der Ausnehmung (2) in etwa dieselbe Temperatur haben, • eine Temperiereinrichtung vorgesehen ist, mittels der das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) so relativ zueinander temperiert werden, dass der Außenumfang des Schieberelements (3) vollständig dicht am Innenumfang der Ausnehmung (2) anliegt und • eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Temperiereinrichtung zyklisch entsprechend eines Fertigungszyklus', gemäß dem ein Kunststoffteil in dem Werkzeug hergestellt wird, steuert, wobei • das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) vor dem Einleiten flüssigen Kunststoffmaterials und solange das Kunststoffmaterial so flüssig ist, dass die Gefahr des Eindringens flüssigen Kunststoffmaterials zwischen das Schieberelement (3) und die Ausnehmung (2) bestünde, so temperiert sind, dass das Schieberelement (3) und die Ausnehmung (2) eine Presspassung bilden.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermaß kleiner oder gleich 0,03 mm beträgt, wenn das Schieberelement (3) und die zugeordnete Werkzeughälfte (1) im Bereich der Ausnehmung (2) in etwa dieselbe Temperatur haben.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Presspassung so konzipiert ist, dass selbst bei Drücken des flüssigen Kunststoffmaterials von mehr als 50 bar ein Eindringen des flüssigen Kunststoffmaterials zwischen das Schieberelement (3) und die Ausnehmung (2) unterbunden wird.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung ein aktives Heizen des Schieberelements und ein aktives Kühlen des Schieberelements (3) und/oder der Werkzeughälfte (1) im Bereich der Ausnehmung (2) ermöglicht.