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Die Erfindung betrifft ein Gusswerkzeug und ein Verfahren zum Ein-, An- und/oder Umgießen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Schmelze eines Leichtmetallmaterials.
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Aus dem Stand der Technik ist zur Schaffung gewichtsreduzierter Bauteile mit hoher Festigkeit bekannt, Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff mit Leichtmetallmaterialien zu kombinieren. Allerdings ergibt sich beim Gießen von Leichtmetallschmelzen an solche faserverstärkte Kunststoffmaterialien das Problem, dass deren Kunststoffmatrix aufgrund der hohen Temperaturen der Schmelze auszugasen beginnt, so dass in dem Leichtmetallbauteil, das an das faserverstärkte Kunststoffbauteil angegossen wird, Poren gebildet werden, die sich negativ auf die Bauteilqualität und die Funktionalität des Gussbauteils, insbesondere auf dessen Festigkeit und Duktilität, auswirken.
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Die
DE 100 26 981 A1 beschreibt einen Hohlträger für eine Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere einen Querträger für eine Kraftfahrzeug-Instrumententafel, der in fertigungstechnisch einfacher Weise lastspezifisch gestaltet ist und vor allem eine deutliche Gewichtsverringerung erzielt. Der Hohlträger besteht aus einem vorgefertigten, formgebenden Innenprofilteil und einem äußeren, integral mit dem Innenprofilteil vergossenen, lastaufnehmenden Leichtmetall-Gusskörper. Der Leichtmetall-Gusskörper ist dabei zumindest einseitig mit einem innenprofilfreien, gleichzeitig mit dem Innenprofilteil vergossenen Endabschnitt versehen, welcher an einem wiederverwendbaren, werkzeugseitigen, das Innenprofilteil beim Gießvorgang fixierenden Formkernstück ausgeformt ist. Während des Gussvorgangs wird das Innenprofilteil innendruckbeaufschlagt, um zu verhindern, dass dessen formgebende Außenkontur unter der beim Gussvorgang einwirkenden Belastungen verloren geht. Vorzugsweise wird dort Magnesium als Leichtmetall verwendet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gussvorrichtung bereitzustellen, mit der ein faserverstärktes Kunststoffbauteil in ein Leichtmetall-Gussbauteil eingegossen werden kann, so dass in dem Leichtmetall-Gussteil weniger oder gar keine Poren aufgrund der Ausgasungen des faserverstärktes Kunststoffbauteils bei der Temperatur der Leichtmetallschmelze gebildet werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines entsprechenden Verfahrens zum Ein-, An- und/oder Umgießen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, das zumindest ein Hohlvolumen aufweist, mit einer Leichtmetallschmelze.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine Gussvorrichtung, deren wesentlicher Bestandteil ein Gusswerkzeug ist, das zum Ein-, An- und/oder Umgießen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, das ein oder mehrere Hohlvolumina aufweist, mit einer Leichtmetallschmelze vorgesehen ist. Das Gusswerkzeug besteht aus zwei Formhälften, die im geschlossenen Zustand des Gusswerkzeugs eine Kavität bilden. Einen Teil der Kavität macht eine Gussformkavität aus, die eine Außenkontur des an das faserverstärkte Kunststoffbauteil zu gießenden Gussbauteils abbildet. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann in die Gussformkavität so eingelegt werden, dass wenigstens ein Teil des Kunststoffbauteils in die Gussformkavität hineinragt, damit es umgossen oder angegossen werden kann. Das Hohlvolumen des faserverstärkten Kunststoffbauteils kann dabei vollständig oder auch nur teilweise geschlossen sein. Beispiele hierfür sind Profilträger, bzw. Hohlprofile deren Innenraum (Kavität) vollständig geschlossen ist oder auch Profilträger, bzw. Hohlprofile bei denen eine oder mehrere Seiten zumindest teilweise geöffnet sind.
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Die Gussvorrichtung umfasst auch Dichtmittel, die die Kavität nach außen abdichten, so dass die Kavität für den Gussvorgang bei eingelegtem Kunststoffbauteil durch das Dichtmittel abgedichtet werden kann, wobei sich zumindest ein Fluidkanal so in die Kavität erstreckt, dass der Fluidkanal mit dem Hohlvolumen des eingelegten faserverstärkten Kunststoffbauteils in fluidischer Verbindung steht.
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Erfindungsgemäß weist die Gussvorrichtung zumindest eine Entlüftungseinrichtung auf, die mit dem Fluidkanal verbunden ist, so dass Gase, die während eines Gussvorgangs durch die hohe Temperatur der Leichtmetallschmelze aus der Kunststoffmatrix des faserverstärkten Kunststoffbauteils ausgasen, gerichtet aus der Kavität durch das Hohlvolumen des Kunststoffbauteils abgezogen werden können und nicht oder zumindest in verringertem Umfang in das angegossene Gussbauteil ausgasen und dort Porenbildung verursachen. Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegossene Gussbauteil weist daher vorteilhaft einen äußerst geringen Porenanteil auf, der sich zumindest weniger oder nicht mehr nachteilig auf Festigkeit und Duktilität desselben auswirkt.
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So ist es mit der erfindungsgemäßen Gussvorrichtung insbesondere auch möglich, nicht nur Magnesiumlegierungen zum Angießen an das faserverstärkte Kunststoffbauteil einzusetzen, sondern auch die höher schmelzenden Aluminiumlegierungen, die durch die höhere Schmelztemperatur andernfalls, also ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung, eine verstärkte Ausgasung des Kunststoffbauteils bewirkt.
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Der Fluidkanal, durch den das Kunststoffbauteil über sein Hohlvolumen entlüftet wird, kann dabei durch das Dichtmittel verlaufen, insbesondere, wenn sich das faserverstärkte Kunststoffbauteil mit zumindest einem Ende aus dem Gusswerkzeug heraus erstreckt, so dass das herausragende Ende durch das Dichtmittel umschlossen wird, durch das der Fluidkanal zu der Entlüftungseinrichtung verläuft.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem durch das Dichtmittel verlaufenden Fluidkanal können ein oder mehrere Fluidkanäle innerhalb des Gusswerkzeugs durch entsprechend eine oder beide Formhälften verlegt sein, die sich von einer Aufnahmekavität für das Kunststoffbauteil ausgehend, die in die Gussformkavität mündet und zusammen mit dieser die gesamte Kavität bildet, zu einer oder zu mehreren Entlüftungseinrichtungen erstrecken, die unter Umständen auch die Entlüftungseinrichtung sein kann, die mit dem Fluidkanal, der durch das Dichtmittel verläuft, verbunden ist. Vorzugsweise kann ein solcher Fluidkanal, der sich von der Aufnahmekavität weg erstreckt, direkt benachbart zu der Gussformkavität angeordnet sein, um die beim Anguss mit der Leichtmetallschmelze aus dem faserverstärkten Kunststoffbauteil austretenden Gase direkt abführen zu können.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil während des Angusses gekühlt wird, um so die ausgasende Gasmenge zu verringern. Dazu weist das Gusswerkzeug einen oder mehrere Kühlfluidkanäle auf, der mit einer Versorgungseinrichtung für ein Kühlfluid gekoppelt sind. Auch die Kühlfluidkanäle erstrecken sich so in die Kavität, dass der Kühlfluidkanal mit dem Hohlvolumen des eingelegten faserverstärkten Kunststoffbauteils verbunden ist, so dass von der Versorgungseinrichtung ein Kühlfluid in das Hohlvolumen zugeführt werden kann. Gegebenenfalls können die Fluidkanäle zur Entlüftung so ausgelegt sein, dass wenigstens einer der Fluidkanäle als Kühlfluidkanal genutzt werden kann.
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In einer Ausführungsform, in der insbesondere das Gussbauteil endständig an das faserverstärkte Kunststoffbauteil angegossen werden soll, das insbesondere ein rohrartiges Hohlprofil ist, dessen Hohlvolumen sich an den Enden öffnet, kann die Gussvorrichtung ferner einen oder mehrere Abdichtungsstopfen umfassen. Ein solcher Abdichtungsstopfen kann so geformt sein, dass er in einem der Gussformkavität zugewandten Ende des Hohlvolumens des faserverstärkten Kunststoffbauteils abdichtend angeordnet werden kann, um ein Eindringen der Leichtmetallschmelze in das Hohlvolumen zu verhindern.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ein-, An- und/oder Umgießen des faserverstärkten Kunststoffbauteils, das das Hohlvolumen aufweist, mit einer Leichtmetallschmelze, verwendet vorteilhaft die erfindungsgemäße Gussvorrichtung. Dabei erfolgt zunächst das Anordnen des faserverstärkten Kunststoffbauteils in der Kavität des Gusswerkzeugs, so dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil zumindest teilweise in der Gussformkavität aufgenommen ist. Hierauf werden die Formhälften geschlossen und die Kavität wird durch das oder die Dichtmittel abgedichtet, wobei der zumindest eine Fluidkanal mit dem Hohlvolumen des faserverstärkten Kunststoffbauteils verbunden wird. Im nächsten Schritt wird die Schmelze des Leichtmetallmaterials in die Gussformkavität gegossen, so dass der in der Gussformkavität aufgenommene Teil des faserverstärkten Kunststoffbauteils ein-, an- und/oder umgossen wird. Mit dem Gießvorgang erfolgt das Entlüften des Hohlvolumens des faserverstärkten Kunststoffbauteils über den Fluidkanal mittels der Entlüftungseinrichtung, so dass Gase, die aus dem faserverstärkten Kunststoffbauteil durch das Gießen mit der Schmelze entstehen, vorteilhaft gerichtet abgeführt werden.
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Ein zusätzlicher Verfahrensschritt bezieht sich auf das Zuführen eines Kühlfluids durch den Kühlfluidkanal in das Hohlvolumen des faserverstärkten Kunststoffbauteils, wodurch das faserverstärkte Kunststoffbauteil während des Gießens gekühlt und so die Ausgasungsmenge reduziert werden kann.
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Als faserverstärktes Kunststoffbauteil, das zum erfindungsgemäßen Ein-, An- und/oder Umgießen mit der Leichtmetallschmelze unter Entlüftung geeignet ist, kommen rohrförmige Hohlprofile, die folglich das genannte Hohlvolumen umfassen, in Frage. Alternativ kann ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, das Hohlfasern umfasst, verwendet werden, wobei die Einzelhohlvolumina der Hohlfasern das Hohlvolumen bilden.
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Ferner kann ein weiteres geeignetes faserverstärktes Kunststoffbauteil eine Porosität aufweisen, die das Hohlvolumen bildet, die durch Verstärkungsfasern und/oder einen Matrixkunststoff des faserverstärkten Kunststoffbauteils erzeugt wird.
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Das in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil enthaltene Hohlvolumen stellt den Entlüftungsweg für die beim Gießen entstehenden Gase bereitstellt.
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Es kann sich bei dem Leichtmetallmaterial um eine Aluminium- oder eine Magnesiumlegierung handeln.
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Schließlich kann vorgesehen sein, vor dem Einlegen in das Gusswerkzeug das faserverstärkte Kunststoffbauteil auf seiner Außenoberfläche mit zumindest einer Beschichtung auszustatten, die zumindest in dem Bereich aufgebracht wird, an dem das Gussbauteil angegossen wird. Diese Beschichtung(en) kann (können) der Haftungsunterstützung dienen, damit das angegossene Gussbauteil besser an dem Kunststoffbauteil haftet, alternativ oder zusätzlich kann eine gasundurchlässige oder teildurchlässige Beschichtung vorgesehen sein, die die entstehenden Gase an der Angussstelle nicht oder nur erschwert durchlässt, so dass der vorgesehene Entlüftungsweg durch das Hohlvolumen gefördert wird.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.
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Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigt die Figur eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gussvorrichtung mit an das eingelegte faserverstärkte Kunststoffbauteil angegossenem Gussbauteil.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Gusswerkzeug, das geometrisch so ausgelegt ist, dass die aus der Kunststoffmatrix beim Gießen mit der Leichtmetallschmelze entstehenden Ausgasungen gerichtet abgeführt werden, so dass sie sich kaum oder gar nicht störend am Gussbauteil, etwa in Form von Porenbildung, auswirken. Dabei kann für das Gussteil eine von der zur Funktionserfüllung notwendigen Form abweichende Gussform erforderlich sein, ferner können alternativ oder zusätzlich Lage und Form des Angusses sowie die Gussparameter des Gussprozesses angepasst werden.
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Das in der Figur gezeigte, von der Gussvorrichtung umfasste Gusswerkzeug ermöglicht das Ein-, An- und/oder Umgießen des faserverstärkten Kunststoffbauteils 1 mit einer Leichtmetall-Schmelze, auch mit Aluminiumlegierungen, unter verminderter Porenbildung in dem Gussbauteil 2.
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Das verwendete faserverstärkte Kunststoffbauteil 1 weist eine Festigkeit und Steifigkeit auf, die den Gussvorgang ohne Verformung der Außenkontur des faserverstärkten Kunststoffbauteils 1, das hier als Hohlprofil ausgeführt ist, gestatten, so dass hier auf eine Innendruckbeaufschlagung verzichtet werden kann. Als Leichtmetallmaterial können hier nicht nur Magnesium- sondern auch Aluminiumlegierungen verwendet werden, die durch ihren höheren Schmelzpunkt verstärkte Ausgasungen aus der Kunststoffmatrix des faserverstärkten Kunststoffbauteils 1 verursachen. Durch das erfindungsgemäße Gusswerkzeug können auch hier die entstehenden Gase gerichtet abgeführt werden, so dass in dem Gussbauteil 2 kaum Poren aufgrund der Ausgasungen gebildet werden.
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Das Gusswerkzeug in 1 weist zwei Formhälften 10 auf. Im geschlossenen Zustand begrenzen die Formhälften 10 des Gusswerkzeugs die Gussformkavität 10', die die Außenkontur des herzustellenden Gussbauteils 2 abbildet. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 1 erstreckt sich mit einem Ende in die Gussformkavität 10', das zweite Ende ragt vorliegend aus dem Gusswerkzeug heraus und wird mittels der Dichtmittel 3 gasdicht abgedichtet.
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Die Formhälften 10 besitzen hier neben der Gussformkavität 10' eine sich an diese anschließende Ausnehmung 10'', in die das faserverstärkte Kunststoffbauteil 1 eingelegt werden kann. Ein oder mehrere Angusskanäle (nicht dargestellt), durch die die Leichtmetallschmelze eingegossen wird, münden in die Gussformkavität 10'. Beim Gießvorgang umschließt die Leichmetallschmelze das sich in die Gussformkavität 10' erstreckende Ende des faserverstärkten Kunststoffbauteils 1, so dass es aufgrund der hohen Temperatur der Schmelze zu Ausgasungen des Kunststoffs kommt. Diese werden nun erfindungsgemäß gerichtet abgeführt und zwar durch Ankopplung einer Zwangsentlüftung an das von dem faserverstärkten Kunststoffprofil 1 umschlossene Hohlvolumen 6. Dazu erstreckt sich ein Entlüftungskanal 4 durch das Dichtmittel 3. Hier liegt das Dichtmittel in Form eines becherartigen Endstücks vor, das das aus dem Gusswerkzeug heraus ragende Ende des FVK-Profils abdichtend umschließt. Mit der Vakuumpumpe 5 als Entlüftungseinrichtung wird das während des Gussvorgangs entstehende Ausgasungsgas durch das Hohlvolumen 6 und den Entlüftungskanal 4 abgezogen, so dass der Gasanteil, der in das Gussbauteil 2 dringt, minimiert wird. Dies kann durch eine Beschichtung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 1 unterstützt werden, die zumindest in dem Bereich aufgebracht ist, der umgossen wird. Dabei kann es sich um eine gasundurchlässige Sperrschicht, die den Durchtritt des entstehenden Gases in das Gussbauteil 2 verhindert, oder auch lediglich um eine teildurchlässige Beschichtung handeln. Diese oder eine weitere Beschichtung kann ferner zur Haftverbesserung mit dem angegossenen Gussbauteil ausgebildet sein, die dessen Haftung mechanisch, chemisch und/oder physikalisch verbessert.
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Alternativ zu einem als Hohlprofil ausgebildeten faserverstärkten Kunststoffbauteil können auch faserverstärkte Kunststoffbauteile erfindungsgemäß gerichtet entgast werden, die als Fasern Hohlfasern umfassen, wobei das Hohlvolumen durch die von den Hohlfasern umschlossenen Hohlräume gebildet wird, die dann ebenfalls wie oben beschrieben über den Entlüftungskanal mit der Entlüftungseinrichtung verbunden werden, und so die während des Gussvorgangs gebildeten Gase abführen. Denkbar ist auch, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil eine Porosität aufweist, die durch die Verstärkungsfasern und/oder den Matrixkunststoff gebildet wird. Diese Porosität stellt ein Gesamthohlvolumen bereit, das ebenfalls über den Entlüftungskanal mit der Entlüftungseinrichtung verbunden werden kann und so den gerichteten Entgasungsweg bildet.
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Ferner zeigt die Figur einen Abdichtungsstopfen 7 als Teil der Gussvorrichtung, der das Hohlvolumen 6 des faserverstärkten Kunststoffprofils 1 an dem sich in die Gussformkavität 10' erstreckenden Ende abdichtend verschließt, um so ein Eindringen der Leichtmetallschmelze in das Hohlvolumen 6 zu vermeiden, und gleichzeitig die gerichtete Entgasung zu unterstützen. So wird gleichzeitig der Entlüftungsweg durch das Hohlvolumen 6 freigehalten und andererseits das Entweichen des entstehenden Gases durch ein offenes Ende des Hohlprofils 1 in das Gussbauteil verhindert. Selbstverständlich kann das Eindringen der Schmelze in das Hohlvolumen 6 bis zu einem gewissen Ausmaß zum verbesserten Eingriff von Gussbauteil 2 und Kunststoffprofil 1 gewünscht sein. Gegebenfalls kann der Abdichtungsstopfen 7 nach der Schaffung des Verbundbauteils durch das offene Ende wieder entfernt werden.
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Wie in der Figur weiter zu sehen ist, können die Formhälften 10 benachbart zu der Gussformkavität 10' weitere Fluidkanäle 4' aufweisen, die sich von der Aufnahmekavität 10'' durch die Formhälften 10 erstrecken. Auch diese Fluidkanäle 4' können mit der Entlüftungseinrichtung 5 verbunden sein und alternativ oder zusätzlich zu dem Entlüftungskanal 4, der durch das Dichtmittel 3 verläuft, eingesetzt werden.
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Zusätzlich zu der Entlüftung des Hohlvolumens 6 des faserverstärkten Kunststoffprofils 1 kann eine Kühlung desselben vorgesehen sein, um die Ausgasung zu minimieren. Dazu wird dem Hohlvolumen 6 über einen der Fluidkanäle 4, 4', der dazu mit einer Versorgungseinrichtung für ein Kühlfluid in Verbindung steht, ein Kühlfluid zugeführt, das im Kreislauf geführt werden und über einen der Entlüftungswege 4, 4' aus dem Hohlvolumen 6 abgeführt werden kann. Hier kann ein Kühlgas, etwa eine Kohlendioxidkühlung oder ein anderes Kältemittel, eingesetzt werden. Ein poröser faserverstärkter Kunststoff 1 kann so auch direkt gekühlt werden.
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Wenn das Hohlvolumen des faserverstärkten Kunststoffbauteils nur teilweise geschlossen ist, erfolgt die Kühlung besonders bevorzugt über die Kanäle 4'.
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Durch Einsatz der Kühlung kann die Entlüftungsleistung herabgesetzt werden, so dass eine minimale Entlüftung ausreicht, die Porenbildung im Gussbauteil durch Entgasung während des Gussvorgangs zu minimieren oder gar zu unterbinden.
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Abweichend von der in der Figur gezeigten Anordnung ist ferner denkbar, dass beispielsweise für das Angießen des Gussbauteils zwischen den Enden des faserverstärkten Kunststoffprofils 1 beide Enden abgedichtet werden, und dann die Entlüftungseinrichtung über zumindest einen Entlüftungskanal mit dem Hohlvolumen verbunden wird. Ebenfalls ist eine Gussvorrichtung denkbar, bei der sich das faserverstärkte Kunststoffbauteil nicht aus dem Gusswerkzeug heraus erstreckt, sondern die so ausgebildet ist, dass das Kunststoffbauteil vollständig in der Aufnahmekavität des Gusswerkzeugs aufgenommen ist, und sich dabei zumindest teilweise in die Gussformkavität erstreckt. Dichtmittel zur Abdichtung der Gesamtkavität und Fluidkanäle liegen dann in dem Gusswerkzeug vor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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