DE4325488A1 - Process for producing a molded part from thermoplastic - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, wo bei eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff mit wenigstens einer in die Kunststoffmatrix eingebrachten Verstärkungsschicht aus Gewebe, Vlies, Gestrick, Gelege, Geflecht od. dgl. auf eine Temperatur im Bereich des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffes erhitzt und mittels einer Matrize und Patrize verformt wird.The invention relates to a method for producing a molded part, where for a plate made of thermoplastic with at least one in the reinforcement layer made of fabric, fleece, Knitted fabric, scrim, braid or the like to a temperature in the range of Melting point of the thermoplastic and heated by means of a The female and male are deformed.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentan meldung P 41 40 044 bekannt. Mittels des vorbekannten Verfahrens ist es möglich, mit kurzen Taktzeiten Produkte, wie Schutzhelme, ausgehend von einem plattenförmigen Halbzeug umfassend den thermoplastischen Kunststoff und die wenigstens eine Verstärkungsschicht mit relativ geringer Wand stärke bei hoher Festigkeit herzustellen.Such a method is for example from the German patent message P 41 40 044 known. It is by means of the previously known method possible with short cycle times products, such as protective helmets, starting from a plate-shaped semi-finished product comprising the thermoplastic and the at least one reinforcement layer with a relatively small wall to produce starch with high strength.
Im Prinzip ist die Verwendung von Platten aus thermoplastischem Kunst stoff mit eingelegter Verstärkungsschicht und die Verformung dieser Plat ten mittels Matrize und Patrize seit Jahrzehnten bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-PS 2 115 065 ein derartiges Verfahren, wobei zwar auch die Möglichkeit in Betracht gezogen wurde, thermoplastische Kunststoffe einzusetzen, wobei aber die Verformung des relativ weichen plattenartigen Materials bei Raumtemperatur erfolgte und in der Form sich dann ein Härtungsvorgang durch eine chemischen Reaktion anschloß.In principle, the use of sheets made of thermoplastic art fabric with an inserted reinforcement layer and the deformation of this plat has been known for decades through the use of dies and patrices. For example US Pat. No. 2,115,065 describes such a method, although also the possibility was considered thermoplastic use, but the deformation of the relatively soft plate-like Material took place at room temperature and then in the form Curing process followed by a chemical reaction.
Demgegenüber hat ein Verfahren der gattungsgemäßen Art den Vorteil, daß das Aushärten des erhitzten thermoplastischen Kunststoffes allein aufgrund der Kühlung an der Formwand erfolgt und dementsprechend die Entformung direkt im Anschluß an die Formgebung erfolgen kann und dementsprechend für die industrielle Fertigung sehr kurze Taktzeiten erzielbar sind.In contrast, a method of the generic type has the advantage that the hardening of the heated thermoplastic solely on the basis cooling takes place on the mold wall and, accordingly, demolding can take place immediately after the shaping and accordingly very short cycle times can be achieved for industrial production.
Ein gewisser Nachteil des bekannten Verfahrens liegt allerdings darin, daß sich lokal unterschiedliche Wandstärken ausbilden können, obwohl von einem plattenförmigen Halbzeug exakter konstanter Dicke ausgegangen wird. Die unterschiedlichen Wandstärken sind beispielsweise dadurch be dingt, daß beim Drapieren der Verstärkungsschichten, z. B. in Form eines Gewebes, durch starke Scherung der Faserstränge gegeneinander Zonen er höhter Faserdichte entstehen. Dies ist bei Formteilen mit einer Sichtseite, wie z. B. der Außenseite eines Schutzhelms, nicht akzeptabel.However, a certain disadvantage of the known method is that that different wall thicknesses can form locally, though assumed a plate-shaped semi-finished product of exact constant thickness becomes. The different wall thicknesses are, for example, be Thing that when draping the reinforcing layers, for. B. in the form of a Tissue, due to strong shearing of the fiber strands against each other higher fiber density arise. This is for molded parts with one visible side, such as B. the outside of a protective helmet, not acceptable.
Die hier beschriebene Problematik tritt gerade bei thermoplastischen Kunststoffen auf, da diese aufgrund der großen Moleküllänge in der Plat tenebene nur eine geringe Fließfähigkeit aufweisen, so daß hierdurch der Abbau lokaler Verdickungen oder der Ausgleich von lokalen Wandstärkere duzierungen erheblich erschwert wird, während beispielsweise bei Duro plast-Composits aufgrund der anfänglich kürzeren Moleküllänge eine bes sere Fließfähigkeit und dementsprechend ein leichterer Ausgleich in der Ebene möglich ist.The problem described here occurs especially with thermoplastic Plastics because of the large molecular length in the plat have only a low fluidity, so that the Reduction of local thickening or the compensation of local wall thicknesses reductions is made considerably more difficult, for example with Duro plast composits due to the initially shorter molecular length a particular fluidity and accordingly an easier balance in the Level is possible.
Ein Ansatz zur Vermeidung der beschriebenen Probleme besteht darin, daß man ein temperiertes Metallgesenk und einen temperierten Metallstempel verwendet, wobei jedoch trotz hoher Paßgenauigkeiten der dementsprechend harten Formhälften zueinander bei dünnschaligen Formteilen die Herstel lung von Sichtflächen ohne Nachbearbeitung kaum möglich ist.One approach to avoid the problems described is that a tempered metal die and a tempered metal stamp used, but despite the high accuracy of fit accordingly hard mold halves to each other in thin-shell moldings Visible surfaces are hardly possible without reworking is.
Zur Herstellung von Prototypen ist es bei einer vergleichbaren Problema tik auch bekannt, einem temperierten Metallgesenk einen Gummistempel ge genüber zu stellen. Bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit ent stehen hierbei Formteile mit relativ guter Oberfläche, da sich der Preß druck nach Art einer hydrostatischen Verteilung vergleichmäßigt. Eine Großserien-Fertigung ist auf diese Weise nicht möglich, da sich der Gum mistempel ständig aufheizt und dementsprechend bei mehreren Preßvorgän gen keine konstanten Verfahrenbedingungen gewährleistet sind, und weil der Gummistempel darüber hinaus nur eine sehr begrenzte Haltbarkeit aufweist, was insgesamt zu einer niedrigen Produktionsrate und Ausbrin gung für jeden derartigen Gummistempel führt. Weiterhin ist die Oberflä che bei einer komplexen Formteilgestalt mit starken Krümmungen schlecht ausgebildet, da an engen Radien und Kanten die Pressung geringer ist und es sogar dazu kommen kann, daß die Verstärkungsfasern sich in die weiche Stempelmasse eindrücken und aus der vorgesehenen Lage hinaus wandern.For the production of prototypes it is a comparable problem tik also known, a tempered metal die a rubber stamp ge to face. With low accuracy requirements here are molded parts with a relatively good surface, because the press equalized pressure in the manner of a hydrostatic distribution. A Large-scale production is not possible in this way because the gum Mistempel constantly heats up and accordingly with several pressing processes no constant process conditions are guaranteed, and because the rubber stamp also has a very limited shelf life exhibits, resulting in a low production rate and burnout overall leads for each such rubber stamp. Furthermore, the surface bad with a complex shape with strong curvatures trained because the pressure is less on narrow radii and edges and it can even happen that the reinforcing fibers get into the Press in the soft stamp mass and out of the intended position hike.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei rationeller Fertigung eine hohe, gleichmäßige, keine Nachbehandlung erforderlich machende Oberflächenqualität erzielt wird.Proceeding from this, the object of the invention is a method ren of the type mentioned so that at rational Manufacturing a high, even, no post-treatment required surface quality is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Kunst stoff-Platte wenigstens einseitig eine druckweiche Membran wenigstens während des Formgebungsvorganges angeordnet ist.This object is achieved in that on art fabric plate at least on one side a pressure-soft membrane at least is arranged during the molding process.
Vorzugsweise ist die Membran an der der Sichtfläche des fertigen Formteil entgegengesetzten Seite angeordnet. Sie wird günstigerweise nach der Formgebung abgezogen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Membran nach der Formgebung in die Formteilwand integriert ver bleibt und dort als polsternde, stoßdämpfende oder schalldämmende Schicht und/oder als eine Dekorfunktion erfüllende Schicht verbleibt.The membrane is preferably on the visible surface of the finished molded part opposite side arranged. It will be conveniently after the Shape subtracted. Alternatively, it can also be provided that the membrane integrated into the molded part wall after shaping stays and there as cushioning, shock absorbing or sound absorbing Layer and / or layer serving as a decorative function remains.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, eine derart widerstandsfähige Membran zu verwenden, daß diese nach dem Abziehen nochmals wiederverwendet werden kann. Andererseits wäre es auch mög lich, die Membran auf Rollen vorrätig zu halten, ein jeweils benötigtes Stück abzuziehen und vor oder parallel mit dem Formgebungsvorgang ab zustanzen. In principle, it is also conceivable within the scope of the invention to use one of these resistant membrane to use that after peeling can be reused again. On the other hand, it would also be possible Lich to keep the membrane in stock on rolls, a required one Peel off piece and before or in parallel with the molding process to punch.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Ausgleich lokaler Schicht dickenerhöhungen bzw. allgemein von Schichtdickenabweichungen begün stigt, so daß Oberflächen, insbesondere an der Sichtseite, mit einem sehr gleichmäßigen hochwertigen Erscheinungsbild entstehen. Besonders an stark geneigten Formteilbereichen wird eine gleichmäßig hohe Materialver dichtung bei hoher Präzision der Geometrien und Gewebepositionierung er reicht. Die Herstellungskosten für die Preßform werden aufgrund der ge ringeren Genauigkeitsanforderungen an die beiden harten Formoberflächen zueinander reduziert. Die Einfahrzeit des Werkzeugs kann reduziert wer den, da die Retouschearbeit an den Flächen der Formhälften verringert wird oder ganz entfällt.The method according to the invention compensates for the local layer increases in thickness or generally deviations from layer thickness Stigt, so that surfaces, especially on the visible side, with a very uniform high quality appearance. Especially on strongly inclined molding areas is a uniformly high material ver sealing with high precision of the geometries and tissue positioning enough. The manufacturing costs for the mold are due to the ge lower accuracy requirements for the two hard mold surfaces reduced to each other. The run-in time of the tool can be reduced because the retouching work on the surfaces of the mold halves is reduced is or is completely eliminated.
Ein weiterer sehr vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Verfahrens führung besteht darin, daß beim ersten Kontakt mit der noch nicht kom primierten Membran die thermoplastische Kunststoffmatrix zunächst gegen sehr schnelle Abkühlung geschützt ist. Erst nach dem Aufbauen des vollen Pressungsdruckes und damit einer weitgehenden Kompression der ursprüng lich beispielsweise 2 bis 5 mm starken Membran auf eine Dicke von bei spielsweise 3/10 mm kann die Wärme sehr schnell über das dann nahezu kompakte Material zum temperierten Werkzeug geleitet werden.Another very advantageous aspect of the method according to the invention leadership is that the first contact with the not yet com primed membrane the thermoplastic matrix first against very rapid cooling is protected. Only after building the full Pressing pressure and thus extensive compression of the original Lich, for example, 2 to 5 mm thick membrane to a thickness of for example 3/10 mm, the heat can very quickly then almost compact material can be directed to the temperature-controlled tool.
Die verwendete Membran weist günstigerweise eine Druckverformbarkeit < 90% in Richtung senkrecht zur Membranebene auf. Darüber hinaus sollte ein hohes elastisches Rückstellverhalten bei für technische Thermoplaste üblichen Formgebungstemperatur im Temperaturbereich von 120 bis 150°C gegeben sein.The membrane used advantageously has compressive deformability <90% in the direction perpendicular to the membrane plane. In addition, should a high elastic resilience for technical thermoplastics usual shaping temperature in the temperature range from 120 to 150 ° C be given.
Mit Vorteil besteht die Membran aus einem vernetzten, geschäumten Poly merwerkstoff, da hierdurch die geforderten Eigenschaften am besten er reichbar sind.The membrane advantageously consists of a cross-linked, foamed poly merwerkstoff, because this best he the required properties are reachable.
Die Verwendung eines offenzelligen, geschäumten Polymerwerkstoffes bringt zudem noch den Vorteil mit sich, daß durch die Offenzelligkeit der Schaumstruktur beim Kompressionsvorgang das eingeschlossene Gas schnell entweichen kann. Die durch die offenzellige Schaumstruktur vorhandenen Kanäle zwischen Formoberfläche und Composite-Material erleichtern auch der eventuell in vertieften Bereichen des Formnestes im Laufe des Schließ vorgangs der Form eingeschlossenen Luft das Entweichen bis zum direkten Formenkontakt.The use of an open-cell, foamed polymer material brings furthermore the advantage that the open cell structure of Foam structure during the compression process, the trapped gas quickly can escape. The existing through the open-cell foam structure Channels between mold surface and composite material also facilitate possibly in deepened areas of the mold nest during the closing air trapped in the mold, the escape until direct Mold contact.
Beispielsweise kann die Membran aus einem offenzelligen Schaumstoff aus Polyurethan in weicher oder halbharter Einstellung, Polyharnstoff, Sili konkautschuk, Zellgummi od. dgl. bestehen.For example, the membrane can be made from an open-cell foam Polyurethane in soft or semi-hard setting, polyurea, sili rubber, cellular rubber or the like.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Membran aus einem Schaumstoff aus Hochtemperatur-Thermoplasten wie PMMI, PES od. dgl. be steht. Eine derartige Membran ist relativ starr und wird beim Formge bungsvorgang teilweise plastisch verformt.Alternatively, it can also be provided that the membrane consists of a Foam from high temperature thermoplastics such as PMMI, PES or the like. Be stands. Such a membrane is relatively rigid and is used in the Formge Exercise partially deformed plastically.
Letztlich ist es auch noch vorstellbar, daß die Membran aus einem hoch komprimierbaren, sich elastisch verhaltenden textilen Flächenelement be steht, welches etwa velourartig ausgebildet ist und sich dementsprechend komprimieren läßt.Ultimately, it is also conceivable that the membrane from a high compressible, elastically behaving textile surface element be stands, which is approximately velor-like and accordingly compresses.
Schließlich kann es sich noch als vorteilhaft erweisen, daß die Membran sich in den Bereich eines bei derartigen Verfahren üblicherweise vorge sehenen Niederhalters erstreckt, d. h. eines die eigentliche Formausneh mung umgebenden Halterings, der ein geordnetes Drapieren der Verstär kungsschicht gewährleisten soll. Auch in diesem Bereich kann sich die Druckverteilung aufgrund der Membran vorteilhaft entfalten.Finally, it may prove advantageous that the membrane usually featured in the area of such methods extends hold-down d. H. one the actual shape the surrounding retaining ring, which ensures an orderly draping of the reinforcement guarantee layer. In this area, too Develop pressure distribution due to the membrane advantageous.
Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung und an hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen:In the following the invention will be read in conjunction with the drawing and hand described by embodiments. Show:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer nicht voll ständig geschlossenen Form, Fig. 1 shows a schematic section through part of a not completely closed mold continuously,
Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung lokaler Unterschiede in der Oberflächenqualität durch Toleranzen im Spalt zwischen den Form werkzeughälften, Fig. 2 is a diagram for illustrating mold halves local differences in surface quality due to tolerances in the gap between the mold,
Fig. 3 eine Darstellung bei einer einseitig eingebrachten verformbaren Membran bei noch teilweise geöffneter Form, Fig. 3 is a view at a unilaterally introduced deformable membrane at even partially open shape,
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung bei vollständig geschlossener Form, Fig. 4 is a Fig. 3 corresponding representation is fully closed mold,
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der Verformungsverhältnisse in unterschiedlichen Formbereichen, Fig. 5 is a schematic sectional view of the deformation ratios in different areas of the mold,
Fig. 6 einen Fig. 1 entsprechenden, allerdings vollständigen Schnitt zur Veranschaulichung der Verhältnisse bei der Verwendung einer rela tiv dicken, harten Membran bei ganz geschlossenem Werkzeug, Fig. 6 is a Fig. 1 corresponding, but complete cut to illustrate the conditions during the use of a rela tively thick, hard membrane at all the mold is closed,
Fig. 7 eine Fig. 6 entsprechende Darstellung bei geöffnetem Werkzeug und bei Verwendung einer vorgeformten Membran, und FIG. 7 shows a representation corresponding to FIG. 6 when the tool is open and when using a preformed membrane, and
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Zuführung einer Weichmembran. Fig. 8 is a schematic representation of the supply of a soft membrane.
In Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine bei dem erfindungsge mäßen Verfahren verwendete Form dargestellt, welche eine Matrize und ei ne Patrize bzw. einen Stempel umfaßt, wobei in beiden Formteilen Kanäle für ein Temperiermittel, d. h. zum Heizen oder Kühlen, vorgesehen sind. In der in der Zeichnung dargestellten, noch nicht vollständig geschlosse nen Form ist eine Schicht aus einem Composite-Material, also einem mit wenigstens einer Verstärkungsschicht versehenen thermoplastischen Kunst stoff, und eine erfindungsgemäße Membran angeordnet. Bei der dargestell ten Membran handelt es sich um eine relativ weiche Membran. In Fig. 1 is a schematic section through a mold used in the method according to the invention, which comprises a die and a die or a punch, with channels for a tempering agent, ie for heating or cooling, being provided in both molded parts. In the form shown in the drawing, not yet completely closed, a layer of a composite material, that is to say a thermoplastic material provided with at least one reinforcing layer, and a membrane according to the invention are arranged. The membrane shown is a relatively soft membrane.
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß bei einer detaillierten Betrachtung des Spaltes zwischen des beiden Formhälften, also zwischen Matrize und Pat rize aufgrund lokaler Unterschiede in der Oberflächenqualität die Spalt dicke d nach unten (-Δd) und nach oben (+Δd) abweichen kann, wobei eine formfehlerbedingte Reduktion der Spaltdicke zu einer er höhten Verdichtung und teilweisen Verdrängung der Matrix beim Formge bungsvorgang und eine teilweise erhöhte Spaltbreite zu einer schlechten Oberfläche wegen mangelnder Verdichtung des fertigen Formlings führt.From Fig. 2 it is clear that in a detailed examination of the gap between the two mold halves, that is, between the die and pat rize due to local differences in the surface quality, the gap thickness d down (-Δd) and up (+ Δd) may vary , a form-related reduction in the gap thickness to an increased compression and partial displacement of the matrix during the molding process and a partially increased gap width leads to a poor surface due to insufficient compression of the finished molding.
In Fig. 3 sind die entsprechenden Verhältnisse bei Verwendung des Com posite-Materials in Verbindung mit einer rückstellfähigen Membran darge stellt, wobei erkennbar ist, daß in Bereichen erhöhter Spaltdicke durch die elastische Membran das Composite-Material an die Formoberfläche ge drückt wird.In Fig. 3, the corresponding conditions when using the composite material in combination with a resilient membrane Darge provides, it can be seen that in areas of increased gap thickness by the elastic membrane, the composite material is pressed ge on the mold surface.
Ausgehend von der Situation bei noch teilweise geöffneter Form, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt die in Fig. 4 dargestellte Situation bei vollständig geschlossener Form, daß durch die erhöhte Pressung aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Membran im Bereich erhöhter Spalt dicken eine gute Oberfläche erreicht wird, wohingegen im Bereich vermin derter Spaltdicke eine Konsolidierungs- und Verdrängungsreserve im Com posite-Material genutzt wird.Starting from the situation with the mold still partially open, as shown in FIG. 3, the situation shown in FIG. 4 with the mold completely closed shows that the increased pressure due to the elastic restoring force of the membrane thickens a good gap in the area Surface is reached, whereas a consolidation and displacement reserve in the composite material is used in the area of reduced gap thickness.
In Fig. 5 ist beispielsweise anhand einer Helmform dargestellt, wie die Formhaltekraft lokal unterschiedlich wirksam wird. Dabei wird deutlich, daß im Bereich des Pols des herzustellenden Helms, d. h. an seiner ober sten Stelle die volle Form-Zuhaltekraft Z wirksam wird, während sich im Bereich des unteren Randes, wo die Form-Zuhaltekraft Z im spitzen Winkel zu den Formflächen verläuft, weitaus ungünstigere Verhältnisse ergeben.In FIG. 5, for example, illustrated by means of a helmet shape as the shape-retaining force is locally different effective. It is clear that in the area of the pole of the helmet to be manufactured, ie at its uppermost point, the full mold locking force Z is effective, while in the area of the lower edge where the mold locking force Z is at an acute angle to the mold surfaces, result in far less favorable conditions.
Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei Verwendung einer relativ dicken, harten Membran, z. B. aus Hartschaum. Es sind dabei Bereiche plastischer, groß flächiger Verformung des Hartschaums erkennbar, wo aufgrund von Form fehlern die Spaltbreite reduziert ist. Demgegenüber ergibt sich in Berei chen vergrößerter Spaltbreite eine verbesserte Pressung aufgrund der ursprünglich bereitstehenden Anfangsdicke des Schaumes. Fig. 6 shows the conditions when using a relatively thick, hard membrane, for. B. made of rigid foam. Areas of plastic, large-area deformation of the hard foam can be seen, where the gap width is reduced due to shape errors. In contrast, there is an improved gap width in areas due to the originally available initial thickness of the foam.
Bei einer Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, wird ein Weichmembran-Vorformling eingesetzt, der dann beispielsweise über dem Stempel liegt, wohingegen erst anschließend die Composite-Platte, angepreßt durch einen an sich bekannten Niederhalter, mittels der zweiten Formhälfte, also der Matrize, verformt wird, so daß die Membran sich während des Formvorgangs be reits in einem an einer Formhälfte angeschmiegten Zustand befindet.In a modification of the method according to the invention, as is shown schematically in FIG. 7, a soft membrane preform is used, which then lies, for example, over the stamp, whereas only then does the composite plate, pressed by a known hold-down device, by means of the second mold half, that is, the die, is deformed so that the membrane is already in a molded state to a mold half during the molding process.
Dies führt dazu, daß auch in Formbereichen, wo die Form-Zuhaltekraft im spitzen Winkel zu der Formoberfläche verläuft, ein gutes Formgebungs ergebnis erzielt wird.This leads to the fact that even in mold areas where the mold locking force in is an acute angle to the mold surface, a good shaping result is achieved.
In Fig. 8 ist schließlich noch schematisch eine Möglichkeit der Zuführung der Membran dargestellt, wobei die Membran von der in der Zeichnung linken Rolle abgerollt wird, unter der in der Form eingelegten Composite- Platte zu liegen kommt und über eine in der Zeichnung rechten Rolle ab gezogen wird, wobei durch das Schließen der Form ein Ausschnitt aus der Membran ausgestanzt wird.Finally, FIG. 8 schematically shows a possibility of feeding the membrane, the membrane being rolled off from the roller on the left in the drawing, under which the composite plate inserted in the mold comes to rest, and from a roller on the right in the drawing is pulled, a section of the membrane being punched out by closing the mold.
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