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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit den Schritten: (a) Einlegen von Fasern in eine Gussform, die einen bewegbaren Einsatz aufweist, (b) Eingießen eines Matrixmaterials in die Gussform und (c) beim Eingießen des Matrixmaterials Bewegen des Einsatzes in eine Bewegungsrichtung. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Gussform zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit einem Einsatz, der ausgebildet ist zum Führen von Fasern in einer Bewegungsrichtung.
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Ein entsprechendes Verfahren ist in der
DE 29 10 227 A1 beschrieben. Dort werden Endlosfasern in den Einsatz eingefädelt, der sich in einer Kavität der Gussform befindet. Beim Einspritzen des Matrixmaterials drückt dieses den Einsatz weg, wobei die Endlosfasern nachgezogen werden. Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist, dass es sehr zeitaufwändig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahrens, bei dem die Fasern vor dem Einspritzen des Matrixmaterials in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Einsatzes relativ zum Einsatz eingeführt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Verfahren durch eine gattungsgemäße Gussform, bei der der Einsatz so ausgebildet ist, dass die Fasern quer zur Bewegungsrichtung des Einsatzes einführbar sind.
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Vorteilhaft daran ist, dass die Fasern, bei denen es sich vorzugsweise um Endlosfasern handelt, sehr einfach in den Einsatz eingeführt werden können. Das verringert die Prozesszeit und erlaubt deutlich kürzere Taktzeiten.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden unter den Fasern insbesondere Glasfasern oder Kohlefasern verstanden. Es ist allerdings auch möglich, dass es sich bei den Fasern um natürliche Fasern handelt, beispielsweise um Pflanzenfasern, wie beispielsweise Hanf oder Jute. Günstig ist es, wenn es sich bei den Fasern um Endlosfasern handelt, das heißt um Fasern, die länger sind als 50 mm.
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Unter den Fasern wird insbesondere ein Filament, ein Faden, ein Filamentbündel oder ein Faserbündel verstanden.
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Unter dem Matrixmaterial wird insbesondere ein Kunststoff oder ein Metall verstanden. Wenn es sich um ein Metall handelt, ist dies vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, beispielsweise eine Aluminium-Lithium-Legierung. Wenn es sich um einen Kunststoff handelt, ist dieser vorzugsweise ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein Elastomer.
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Unter dem Bewegen des Einsatzes wird insbesondere ein aktives oder passives Bewegen verstanden. Ein aktives Bewegen ist ein Bewegen mittels eines Antriebs, ein passives Bewegen ist ein Bewegen-lassen, beispielsweise von dem vordringenden Matrixmaterial.
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Unter dem Merkmal, dass die Fasern quer zur Bewegungsrichtung in den Einsatz eingeführt werden, wird insbesondere verstanden, dass die Fasern nicht durch Öffnungen im Einsatz eingefädelt werden. Vielmehr ist der Einsatz vorzugsweise in einen Zustand bringbar, in dem die Fasern durch eine Bewegung quer, insbesondere senkrecht, zu ihrer Längserstreckung nicht aus dem Einsatz herausbewegt werden können. Der Einsatz ist zudem vorzugsweise so ausgebildet, dass er in einen Zustand versetzt werden kann, in dem die Fasern durch eine Bewegung quer zu ihrer Längsrichtung in den Einsatz eingeführt werden können. Beispielsweise kann der Einsatz geöffnet werden, um die Fasern einzuführen. Es ist dabei unbeachtlich, ob die Fasern oder der Einsatz bewegt wird. Es ist also möglich, dass die Fasern in den Einsatz eingeführt werden oder dass der Einsatz um die Fasern herum geschlossen wird.
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Die Gussform besitzt eine Kavität, in die das Matrixmaterial eingespritzt wird. Der Einsatz ist vorzugsweise mit Spiel in der Kavität angeordnet und wird von dieser geführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern beim Einlegen in die Kavität in einem Block, insbesondere einem Metallblock, fixiert. Auf diese Weise ist die Faser in ihrer Lage definiert. Zudem können die Fasern so besonders schnell eingelegt werden. Die Fasern sind vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Block verbunden
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Besonders bevorzugt wird der Block, insbesondere der Metallblock, mit dem Matrixmaterial zusammen mit den Fasern angespritzt und wird Teil des fertigen Bauteils. So entsteht ein hybrides Bauteil. Vorteilhaft hieran ist, dass der Block andere Werkstoffeigenschaften haben kann als das Matrixmaterial, beispielsweise kann der Block aus einem Material mit einer höheren Festigkeit aufgebaut sein. Es ist dann möglich, die Komponenten über die Stoßverbindung zu einem hybriden Bauteil zu verbinden. Beispielsweise kann der Block ein Gewinde aufweisen oder im Laufe des weiteren Verfahrens mit einem Gewinde versehen werden. Es ist zudem möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass der Block eine Verbindungsvorrichtung aufweist, beispielsweise ein Teil einer Schnappverbindung. Günstig ist es zudem, dass der Metallblock so ausgebildet sein kann, dass er ein Anschweißen des Bauteils erlaubt, was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.
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Vorzugsweise besteht der bewegbare Einsatz aus einem ersten Teil und zumindest einem zweiten Teil, wobei der erste Teil und der zumindest eine zweite Teil vor dem Bewegen des Einsatzes so verbunden werden, dass eine Mehrzahl an Führungs-Öffnungen entstehen und wobei die Fasern in den Führungsöffnungen beim Bewegen des Einsatzes geführt werden. Auf diese Weise kann die Lage der Fasern im späteren Bauteil besonders gut definiert werden. Beispielsweise werden der erste und der zweite Teil formschlüssig miteinander verbunden oder verklebt.
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Insbesondere werden der erste Teil und der zweite Teil so miteinander verbunden, dass die Führungs-Öffnungen die Fasern verschließen. Das heißt, dass sie quer zur Erstreckungsrichtung der Fasern nicht aus den Führungsöffnungen herausgelangen können.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst bevorzugt die Schritte eines Erfassens einer Materialfront des Matrixmaterials und des automatischen Bewegens des Einsatzes in Abhängigkeit von einer Lage der Materialfront. Zu Beginn des Einbringens, insbesondere Einspritzens, des Matrixmaterials hat der Einsatz nicht zwangsläufig sofort entlang seiner vollen Ausdehnung Kontakt mit dem Matrixmaterial. Um die Lagegenauigkeit der Fasern zu gewährleisten und um Lunker zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Einsatz erst dann zu bewegen, wenn er vollflächig Kontakt mit dem Matrixmaterial hat.
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Um die Lage der Materialfront des Matrixmaterials zu bestimmen, kann die Gussform beispielsweise ein Thermometer oder eine Mehrzahl an Temperatursensoren, bspw. temperatursensitive Dünnschichtsysteme, aufweisen. Da das Matrixmaterial beim Einspritzen eine höhere Temperatur hat als die Gussform, deutet eine Erwärmung einer Region der Gussform darauf hin, dass die Materialfront den entsprechenden Punkt bereits erreicht hat.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Thermometer so angeordnet, dass beurteilbar ist, ob die Materialfront des Matrixmaterials den Einsatz bereits vollflächig erreicht hat. Beispielsweise umfasst das zumindest eine Thermometer eine Beschichtung der Gussform, die bei Temperaturänderungen ihre elektrische Eigenschaft ändert. Diese Eigenschaft kann beispielsweise elektrischer Widerstand sein. In diesem Fall kann aus einer Änderung des elektrischen Widerstands in der Beschichtung darauf geschlossen werden, wie groß der Anteil der Oberfläche der Beschichtung ist, die bereits von der Materialfront des Matrixmaterials kontaktiert wurde. Ein derartiges Thermometer ist einfach aufgebaut und zudem robust.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Gussform Drucksensoren, bspw. als Dünnschichtsystem, aufweist, mittels derer feststellbar ist, welcher Druck im Bereich vor dem Einsatz herrscht. Solange der Bereich vor dem Einsatz noch nicht vollständig mit Matrixmaterial gefüllt ist, ist der Druck niedriger als in dem Zustand, in dem das Matrixmaterial den Einsatz vollflächig erreicht hat. Auch ist es möglich, dass das Erfassen der Materialfront des Matrixmaterials dadurch erfolgt, dass die Kraft ermittelt wird, mit der das Matrixmaterial auf den Einsatz drückt. Bei einem vorgegebenen Spritzdruck steigt die Kraft, die auf den Einsatz wirkt, solange an, bis die Materialfront den Einsatz vollflächig erreicht hat und bleibt danach konstant. Durch Erfassen der auf den Einsatz wirkenden Kraft kann daher beurteilt werden, ob die Materialfront bereits vollflächig am Einsatz anliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verbleibt der Einsatz bei einem Aushärten des Matrixmaterials in der Gussform und wird Teil des Spritzgussteils. Das hat den Vorteil, dass das entstandene Spritzgussteil beispielsweise mittels dem Einsatz befestigt werden kann. Ist der Einsatz beispielsweise aus einem Material gefertigt, das eine höhere Festigkeit aufweist als das Matrixmaterial, so kann das fertige Spritzgussteil besonders gut am Einsatz befestigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Einsatz bereits in innigem Kontakt mit den Fasern steht, sodass die Kraftübertragung vom Einsatz in die Fasern besonders gut möglich ist. Der Einsatz ist daher ein besonders guter Krafteinleitungspunkt.
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Eine erfindungsgemäße Gussform weist vorzugsweise eine Materialfront-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Lage einer Materialfront von in die Gussform eingespritztem Matrixmaterial und eine Antriebseinheit zum Bewegen des Einsatzes in Abhängigkeit von der Lage der Materialfront auf. Wie oben bereits ausgeführt, erfasst die Materialfront-Erfassungsvorrichtung vorzugsweise zumindest ein Thermometer und/oder zumindest einen Druckmesser.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebseinheit einen Antrieb zum Bewegen des Einsatzes und eine Ansteuereinheit, wobei die Ansteuereinheit mit der Materialfront-Erfassungsvorrichtung verbunden ist und eingereicht ist zum automatischen Erfassen, ob die Materialfront den Einsatz vollständig erreicht hat und bejahendenfalls Bewegen des Einsatzes. Verneinendenfalls wird der Einsatz vorzugsweise abgebremst oder vollständig angehalten oder nicht in Bewegung gesetzt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gussform zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 schematische Detailansichten von Einsätzen für eine erfindungsgemäße Gussform zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 eine weitere schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gussform.
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1 zeigt in ihrer Teilfig 1a eine erfindungsgemäße Gussform 10, die einen Einsatz 12 umfasst, der in einer Kavität 14 angeordnet ist. Im Einsatz 12 wird eine Mehrzahl an Fasern 16.1, 16.2, ... geführt.
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1a zeigt, dass die Fasern 16.i (i = 1, 2, ...) in einem Block 18 fixiert sind. Der Block 18 besteht beispielsweise aus Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierung. Alternativ kann der Block beispielsweise auch aus Kunststoff aufgebaut sein. Die Fasern 16.i sind in dem Block 18 stoffschlüssig fixiert. Die Fasern können ebenfalls formschlüssig in der Matrix eingebettet sein.
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Die Gussform 16 weist zumindest eine Angussöffnung 20 auf, durch die schematisch eingezeichnetes Matrixmaterial 22 in Form von plastifiziertem Kunststoff oder einem flüssigen Metall in die Kavität 14 eingegossen werden kann. Durch das Einspritzen des Matrixmaterials 22 wird der Schieber in eine Bewegungsrichtung B bewegt, da das eingespritzte Matrixmaterial 22 den Einsatz 12 vor sich herschiebt.
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Der Einsatz 12, der auch als Schieber bezeichnet werden kann, ist so in der Kavität 14 angeordnet, dass er von Seitenwänden 24.1, 24.2 der Gussform 10 geführt wird. Der Einsatz 12 bildet mit den Seitenwänden eine Spielpassung, wobei das Spiel vorzugsweise höchstens 2 Zehntelmillimeter, insbesondere 1 Zehntelmillimeter, beträgt. Das gilt besonders dann, wenn das Matrixmaterial ein Thermoplast ist.
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Die Spielpassung wird je nach Viskosität des Matrixmaterials angepasst. Die geringe Spaltbreite bewirkt, dass das Matrixmaterial aufgrund seiner hohen Viskosität nicht am Einsatz 12 vorbeiströmen kann.
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1c zeigt die Gussform 10 in der Situation gemäß 1a von der Seite.
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Die 1a und 1c zeigen die Situation, in der das Einspritzen des Matrixmaterials 22 gerade begonnen hat. Das Matrixmaterial 22 breitet sich in dem Raum zwischen dem Block 18 und dem Einsatz 12 aus und verdrängt dabei Luft, die beispielweise durch den Spalt zwischen Einsatz und den Seitenwänden entweicht.
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1b zeigt den Zustand, in dem das Matrixmaterial 22 die Kavität 14 vollständig ausgefüllt hat. Bei seiner Bewegung aus der in 1a gezeigten Position in die in 1b gezeigte Position hat der Schieber 12 eine so große Reibkraft auf die Fasern 16.i ausgeübt, dass diese straff gespannt sind. In diesem Zustand härtet das Matrixmaterial 22 aus und der Einsatz 12 bleibt Bestandteil des entstehenden Spritzgussteils, das nach Erhärten des Matrixmaterials 22 aus der Gussform 10 ausgestoßen wird.
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1d zeigt eine Schnittansicht von der Seite auf die Gussform 10 gemäß 1b. Es ist zu erkennen, dass die Faser 16 von den Seitenwänden 24.3, 24.4 beabstandet angeordnet sein können.
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2a zeigt eine Detailansicht des Einsatzes 12, der ein erstes Teil 26 und ein zweites Teil 28 aufweist. Die beiden Teile 26, 28 können voneinander gelöst werden, wie dies in 2a gezeigt ist. In diesem Zustand können die Fasern 16.i zwischen die beiden Teile 26, 28 gelegt werden.
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Bei den Fasern 16.i kann es sich beispielsweise um unidirektionale Fasern, Faserbündel oder Fäden handeln, aber auch über einen Roving oder ein Vorgarn oder ein aus Fasern aufgebautes Gebilde, das beispielsweise ein Gewebe, Gelege oder Gestrick sein kann. Es sei daher darauf hingewiesen, dass auch ein Verfahren erfindungsgemäß ist, bei dem ein aus Fasern aufgebautes Gebilde, insbesondere ein multidirektionales Gebilde wie ein Gewebe, Gelege oder Gestrick, in die Gussform eingelegt wird, die einen bewegbaren Einsatz aufweist, wobei das Matrixmaterial 22 in die Gussform eingespritzt wird und wobei beim Einspritzen des Matrixmaterials 22 der Einsatz 12 in eine Bewegungsrichtung bewegt wird, wobei dieses Gebilde vor dem Einspritzen des Matrixmaterials 22 in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung in den Einsatz eingeführt wird.
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2a zeigt zudem, dass das erste Teil 26 und das zweite Teil 28 auf einander zu bewegt und, beispielsweise mit einem Klebstoff 30 oder per Schnappverbindung, miteinander verbunden werden können.
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2b zeigt, dass der erste Teil 26 eine Oberflächenstruktur 32 aufweisen kann, die dem zweiten Teil 28 zugewandt ist. Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise eine Kammstruktur, eine Zahnstruktur oder eine Reibstruktur sein. Eine Kammstruktur und eine Zahnstruktur besitzen jeweils hervorstehende Vorsprünge, die mit einer entsprechenden Gegenfläche 34 des zweiten Teils voneinander beabstandete und gegeneinander abgegrenzte Führungs-Öffnungen 36.1, 36.2, ... bilden. In diesen Führungs-Öffnungen 36.i werden die Fasern 16 geführt.
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3 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gussform 10, die eine Materialfront-Erfassungsvorrichtung 38 aufweist. Die Materialfront-Erfassungsvorrichtung 38 besitzt eine Beschichtung 40 und eine Auswerteeinheit 42, mittels der die Beschichtung 40 elektrisch kontaktiert ist. Die Beschichtung 40 ist auf einer Innenseite einer Seitenwand der Gussform 10 ausgebildet und in der Nähe zum Einsatz 12 in dessen Ausgangslage angeordnet. Die Beschichtung 40 ändert ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur T.
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Wenn eine Materialfront 44 den Einsatz 12 erreicht, hat sie Kontakt mit der Beschichtung 40. Je weiter die Materialfront 44 über eine Breite B am Einsatz 12 anliegt, desto stärker ändert sich der elektrische Widerstand. Erfasst die Auswerteeinheit 42, dass die Materialfront 44 vollständig am Einsatz 12 anliegt, so steuert sie einen Antrieb 46 an, mittels dem der Einsatz 12 in die Bewegungsrichtung bewegbar ist.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Spritzgussmaschine, die eine erfindungsgemäße Spritzgussform aufweist. Besitzt diese Spritzgussmaschine eine Hydraulikeinheit, was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, so kann der Antrieb 46 von der Hydraulikeinheit angetrieben sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gussform
- 12
- Einsatz
- 14
- Kavität
- 16
- Faser
- 18
- Block
- 20
- Angussöffnung
- 22
- Matrixmaterial
- 24
- Seitenwand
- 26
- erstes Teil
- 28
- zweites Teil
- 30
- Klebstoff
- 32
- Oberflächenstruktur
- 34
- Gegenfläche
- 36
- Führungs-Öffnung
- 38
- Materialfront-Erfassungsvorrichtung
- 40
- Beschichtung
- 42
- Auswerteeinheit
- 44
- Materialfront
- 46
- Antrieb
- B
- Bewegungsrichtung
- b
- Breite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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