DE102005057181A1

DE102005057181A1 - Verbinden von faserverstärktem Material mit einem Spritzgussmaterial

Info

Publication number: DE102005057181A1
Application number: DE200510057181
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Dajek
Original assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Current assignee: Lanxess Deutschland GmbH
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-06
Also published as: US20100244316A1; US20080292858A1; WO2007062757A1; US8617442B2; US7820280B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Verbinden von einem faserverstärkten Material mit einem Spritzgussmaterial. Die Erfindung betrifft ferner einen nach dem Verfahren hergestellten Gegenstand. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, die Verbindung zwischen einem faserverstärkten Ausgangsmaterial und einem angespritzten Material zu verbessern. DOLLAR A Zur Lösung der Aufgabe wird in ein faserverstärktes Kunststoffmaterial weiteres Kunststoffmaterial hineingepresst. Es entsteht so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem weiteren Kunststoffmaterial und den Fasern des faserverstärkten Kunststoffmaterials. Eine solche Verbindung ist wesentlich stabiler im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Verbinden von einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit einem weiteren Kunststoffmaterial. Die Erfindung betrifft ferner ein nach dem Verfahren hergestelltes Formteil.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein plattenförmiges, faserverstärktes Ausgangsmaterial nach Bedarf zunächst umzuformen. An das umgeformte Ausgangsmaterial wird in einer Spritzgussform Kunststoffmaterial angespritzt, wie beispielsweise aus der Druckschrift „Kunststoffe 7/2004, „Es muss nicht immer Stahl sein", Sonja Pongratz und Hans Laich" zu entnehmen ist. Plattenförmiges faserverstärktes Ausgangsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung sind kommerziell erhältlich, so zum Beispiel bei der Firma Bond – Laminates GmbH aus Brilon in Deutschland. Die Fasern bestehen beispielsweise aus Glas, Carbon oder Aramid. Das Material umfasst ferner thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe. Als thermoplastische Kunststoffe werden PA, PBT, TPU, PC oder PPS eingesetzt, wie über das Internet unter der Seite www.bond-laminates.com im November 2005 veröffentlicht wurde. Dieser Internetseite ist weiter zu entnehmen, dass aus dem Ausgangsmaterial Formteile durch Umformen und/oder Anbringen von Verbindungs- und Versteifungselementen durch Schweißen oder Spritzgießen möglich ist.

Nachteilhaft ist das angespritzte Material mit dem umgeformten Ausgangsmaterial lediglich verklebt. Eine solche Verbindung ist relativ instabil.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Verbindung zwischen einem faserverstärkten Ausgangsmaterial und einem daran angebrachten Material zu verbessern.

Die Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs sowie durch ein Formteil mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird in ein faserverstärktes Kunststoffmaterial weiteres Kunststoffmaterial teilweise hineingepresst, Es entsteht so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem weiteren Kunststoffmaterial und den Fasern des faserverstärkten Kunststoffmaterials, Eine solche Verbindung ist wesentlich stabiler im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verbindung. Der nicht hineingepresste Anteil des weiteren Kunststoffmaterials bildet beispielsweise ein Funktionselement oder eine Versteifung, die so an dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbessert angebracht worden ist.
Der Kunststoff des faserverstärkten Kunststoffmaterials wird vorzugsweise erweicht oder verflüssigt. Weiteres Kunststoffmaterial wird an das faserverstärkte Kunststoffmaterial an einer Seite so angespritzt, dass ein Teil des weiteren Kunststoffmaterials an der gegenüberliegenden Seite herausgedrückt wird. Das angespritzte Kunststoffmaterial gelangt so zwischen die Fasern des faserverstärkten Kunststoffmaterials. Es entsteht neben einer Kleb- oder Schweißverbindung zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem angespritzten weiteren Kunststoffmaterial und dem faserverstärkten Kunststoffmaterial.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das angespritzte weitere Kunststoffmaterial lediglich punktuell formschlüssig mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbunden. Eine punktuelle Verbindung kann auf technisch einfache Weise erreicht werden und zwar durch konventionellen Spritzguss.
Es zeigen
1: Spritzgussform mit eingebrachtem faserverstärkten Kunststoffmaterial
2: Geschlossene Spritzgussform
3: Hergestelltes Formteil
Um durch Spritzguss eine punktuelle Verbindung zu erzielen, wird in eine Spritzgussform 1 ein faserverstärktes, erforderlichenfalls bereits geeignet umgeformtes Kunststoffmaterial 2 gebracht. Die Spritzgussform 2 weist Vertiefungen 3 auf. Die Vertiefungen 3 befinden sich hinter dem hineingebrachten faserverstärktem Kunststoffmaterial 2 in der aus 1 ersichtlichen Weise, die einen Schnitt durch die Spritzgussform 1 und das hineingebrachte faserverstärkte Kunststoffmaterial zeigt.
Die Spritzgussform 1 wird anschließend mit einer Gegenform 4 verschlossen. Der Kunststoff des faserverstärkten Kunststoffmaterials wird im Fall von thermoplastischem Kunststoff durch Temperaturerhöhung erweicht. Weiteres Kunststoffmaterial wird dann in die Gegenform in der aus 2 ersichtlichen Weise hineingepresst, so zum Beispiel mit einem Druck von 600 bis 1000 bar. Es dringt dann hineingespritztes Kunststoffmaterial 5 in die Fasern des faserverstärkten Ausgangsmaterial 2 an den Stellen ein, an deren Rückseite eine Vertiefung 3 vorhanden ist. Es entsteht so im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem faserverstärkten Kunststoffmaterial und dem hineingespritzten Kunststoff.
Die Fasern des faserverstärkten Kunststoffmaterials 2 werden dabei regelmäßig in Richtung Vertiefung 3 verschoben, wie in der 2 skizziert wird.
3 verdeutlicht einige typische Merkmale des resultierenden Formteils. Das faserverstärkte Kunststoffmaterial 2 weist einen angespritzten Steg 5 auf der einen Seite und auf der gegenüberliegenden Seite eine noppenförmige Fortsetzung 6 auf, die durch die Vertiefung 3 entstanden ist. Die Fasern des fasernverstärkten Materials 2 sind in diesem Bereich in Richtung Fortsatz 6 verschoben.
Es kann so beispielsweise eine versteifende Rippenstruktur angespritzt werden, die an Wende- oder Kreuzpunkten punktuell zusätzlich durch Formschluss mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbunden ist.
Anstelle von punktuell verteilten Vertiefungen 3 kann eine Spritzgussform 1 nutenförmige Vertiefungen 3 aufweisen. Es entsteht dann entlang einer Nut 3 eine Verbindung durch Formschluss. Es können so beispielweise Rippen vollständig durch Formschluss mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbunden werden. Dann entstehen auf der gegenüberliegenden Seite linienförmig verlaufende Fortsätze 6.
Ist ein Fortsatz 6 unerwünscht, so kann dieser abschließend durch Fräsen oder Schleifen entfernt werden. Es verbleibt als charakteristisches Merkmal die Verschiebung von Fasern 7 des faserförmigen Materials in der aus 3 ersichtlichen Weise.
Thermoplastische Kunststoffmaterialien werden bevorzugt eingesetzt, da diese sich durch Temperaturerhöhung erweichen lassen. Konventionelle Spritzgusstechniken und Spritzgussausrüstungen können dann zur Durchführung des Verfahrens übernommen werden, zumal diese Drücken von 1 000 bar typischerweise standzuhalten vermögen.
Besonders gut geeignete thermoplastische Materialien zur Durchführung der Erfindung sind PA 6,6, PA 6, PBT, PP, PET, PA 12, PPS, TPU oder PA4,6. Zu bevorzugen sind also teilkristalline Kunststoffe mit niedriger Viskosität, die unempfindlich gegenüber internen Spannungen sind. Geeignet sind aber auch einige amorphe Materialien und zwar vor allem PS, ABS und/oder PC. Die genannten Kunststoffe können auch miteinander gemischt werden.
Eine gewünschte Umformung von faserverstärktem Kunststoffmaterial erfolgt vorzugsweise in einer Spritzgussform 1 durch Verschließen mit einer Gegenform 4, um so besonders kostengünstig zu produzieren. Bevorzugt wird vor dem Einlegen des faserverstärkten Kunststoffmaterials dieses auf eine Temperatur vorgeheizt, die die Schmelztemperatur des Kunststoffs um 20 bis 40° C übersteigt. Unter Schmelztemperatur ist dabei die Temperatur zu verstehen, die wenigstens erforderlich ist, um den Kunststoff im Spritzgießverfahren verspritzen zu können. Es wird so einerseits erreicht, dass sich das faserverstärkte Kunststoffmaterial leicht umformen lässt. Andererseits ist der Kunststoff noch nicht derart flüssig, dass die Handhabung schwierig wird. Tiefere Temperaturen während des Umformens sind möglich, was allerdings den Umformschritt schwieriger gestaltet.
Um eine besonders stabile formschlüssige Verbindung zu erzielen, weist das faserverstärkte Material Endlosfasern auf, die vorzugsweise miteinander verflochten sind. Das faserverstärkte Kunststoffmaterial weist dann also beispielsweise Fasern in Form eines Gewebes auf.
Besonders gut geeignete faserverstärkte Kunststoffmaterialien liegen als flächenförmiges Ausgangsmaterial mit einer Wandstärke von 0,5 bis 6 mm vor. Wird das Ausgangsmaterial zu dick, so lässt sich das Kunststoffmaterial kaum noch in die Fasern hineindrücken. Zu dünnes Ausgangsmaterial ist nicht stabil genug.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von einstoffigen Bauteilen. Ein erfindungsgemäß hergestellter Gegenstand besteht dann also aus nur einem Kunststoff. Dies vereinfacht die Wiederverwertung.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Anspritzen genutzt, um zwei plattenförmige faserverstärkte Kunststoffmaterialien miteinander zu verbinden. Zwei Platten liegen dann teilweise übereinander. Von einer Seite wird Kunststoff so angespritzt, dass Kunststoff von der einen Platte in die Fasern der anderen Platte eindringt. Es entsteht so eine besonders stabile Verbindung.
Um insgesamt die Stabilität von hergestellten Gegenständen weiter zu verbessern, wird mit Fasern vermischtes Kunststoffmaterial in einer Ausführungsform der Erfindung mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbunden. Eingesetzt werden dann bei dem weiteren Kunststoffmaterial geschnittenen Fasern mit einer durchschnittlichen Ausgangsfaserlänge von vorzugsweise 2 bis 15 mm. Besonders bevorzugt beträgt die durchschnittliche Faserlänge, von der ausgegangen wird, 2 bis 3 mm, um zu besonders guten Ergebnissen zu gelangen. Durch die weitere Verarbeitung verkürzen sich die Längen der eingesetzten Fasern und zwar regelmäßig um einen Faktor 10. Die durchschnittliche Faserlänge liegt im hergestellten Produkt daher regelmäßig zwischen einigen 10 μm und 2 mm. Nicht nur die durchschnittliche Länge liegt im angegebenen Bereich, sondern bevorzugt auch ganz oder überwiegend die einzelnen Fasern.
Bevorzugt werden mit der Erfindung Ölwannen zum Beispiel für Kraftfahrzeuge mit außenliegender Rippenstruktur hergestellt. Die Rippen sind u. a. durch Formschluss mit dem Behälter verbunden. Die Rippen dienen der Absorption von Energie im Fall von Steinschlag, aber auch im Fall eines Unfalls, um eine Beschädigung des Behälters zu verhindern. Sie schützen also den Behälter besonders zuverlässig und reißen im Fall von Steinen, die während des Fahrens gegen die Ölwanne geschleudert werden, nicht lediglich ab. Ein Befestigungskragen für die Ölwanne kann dann ebenfalls erfindungsgemäß angebracht werden. Es gibt keine Korrosionsprobleme, was weiter für die Herstellung einer Ölwanne aus Kunststoff spricht.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen sind und bleiben zuverlässig flüssigkeits- und gasdicht. Bevorzugtes Einsatzgebiet sind ferner solche Gegenstände, bei denen es zuverlässig auf flüssigkeits- und/oder gasdichte Verbindungen ankommt. Zum Beispiel Spritzwände, die in ei nem PKW den Innenraum vor dem Eindringen von Wasser schützen, stellen daher ein bevorzugtes Anwendungsgebiet dar.
Die Werkzeugkosten für die Durchführung des Verfahrens sind relativ gering. Die Herstellungsgeschwindigkeit ist allerdings relativ langsam. Bevorzugt werden daher solche Gegenstände erfindungsgemäß hergestellt, die mit relativ geringer Stückzahl produziert werden. Insgesamt können diese kostengünstig im Vergleich zu alternativen Herstellungsverfahren produziert werden. Bauteile von Lastkraftwagen und PKW-Nischenfahrzeugen wie Cabriolets stellen ein bevorzugtes Anwendungsgebiet daher, um bisher ganz oder teilweise aus Metall hergestellte Bauteile zu ersetzen. Bei diesen Fahrzeugen werden kleine Stückzahlen im Sinne der Erfindung hergestellt.
Die Verbindung verhält sich unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Bevorzugtes weiteres Anwendungsgebiet sind daher solche Formteile bzw. Gegenstände, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, denen die Verbindungen gewachsen sein müssen. Die Erfindung kann daher beispielsweise auch bei Formteilen für Flugzeugen zum Einsatz kommen.
Schutzhelme mit Befestigungselementen oder Rippenstrukturen stellen einen weiteren typischen Einsatzbereich für die Erfindung dar. Befestigungselemente werden erfindungsgemäß angebracht. Durch die Befestigungselemente wird beispielsweise ein Visier am Helm befestigt oder aber Styropor^® im Inneren des Helms.
In Ausführungsbeispielen wurde von kommerziell erhältlichen, plattenförmigen, faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterialien der Firma Bond-Laminates GmbH ausgegangen. Die Dicke der Platten betrug 2 mm. Die Platten waren rechteckig mit einer Länge von 380 mm und einer Breite von 128 mm. Sie wiesen drei Bohrungen auf, die der Positionierung im Spritzgießwerkzeug dienten. Als Kunststoffmaterial wurde u. a. PA6 eingesetzt. Die Fasern bestanden aus Glas, Carbon oder Aramid.
Die Platten wurden in einem Ofen für 3 Minuten bei 300 °C vorgewärmt und in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt. Als Werkzeugtemperatur wurde 95° Celsius eingestellt. Das Spritzgießwerkzeug war so geformt, dass ein mit Rippen 8 versteifter Träger hergestellt werden konnte. Hinter dem eingelegten faserverstärktem Ausgangsmaterial befanden sich im Spritzwerkzeug – wie aus den 1 und 2 ersichtlich – kreisförmige Ausnehmungen 3 in einem Abstand von 5,5 cm mit einem Durchmesser von 9 mm und einer Tiefe von 1 mm. Durch das Schließen der Spritgussform wurde das faserverstärkte Ausgangsmaterial zunächst umgeformt und anschließend weiteres mit Glasfasern verstärktes PA 6-Kunststoffmaterial mit einer Einspritzgeschwindigkeit von 120 mm/s hineingespritzt. Zunächst betrug der Einspritzdruck 900 bar für eine Sekunde. Für weitere 8 Sekunden betrug der Nachspritzdruck 600 bar. Nach einer Abkühlzeit von 30 Sekunden wurde das Spritzgießwerkzeug geöffnet und der hergestellte mit Rippen verstärkte Träger ausgeworfen. Die Rippen 8 waren punktuell mit dem faserverstärkten Material auch durch Formschluss in der aus 3 ersichtlichen Weise verbunden. 3 zeigt einen so hergestellten Träger im Schnitt. Der Steg 5 stellt einen Schnittpunkt von zwei sich kreuzenden Rippen 8 dar. 4 zeigt einen hergestellten Träger im Schnitt von der Unterseite her gesehen. Die Rippen 8 sind über die Stege 5 punktuell auch formschlüssig mit dem faserverstärkten Ausgangsmaterial 2 verbunden. Zwischen dem faserverstärkten Ausgangsmaterial 2 und dem weiteren Kunststoffmaterial wurde so eine wesentlich belastbarerer Verbindung im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik erzielt.

Claims

Verfahren für das Verbinden von einem faserverstärktem Kunststoffmaterial (2) mit einem weiteren Kunststoffmaterial, indem das weitere Kunststoffmaterial (5) teilweise in das faserverstärkte Kunststoffmaterial hineingepresst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der weitere Kunststoff punktuell oder linienförmig in das faserverstärkte Kunststoffmaterial hineingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das faserverstärkte Kunststoffmaterial vor dem Hineinpressen erweicht oder verflüssigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem thermoplastisches, faserverstärkte Kunststoffmaterial vor dem Hineinpressen auf eine Temperatur erwärmt wird, die die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs um maximal 20 °C übersteigt, jedoch besonders bevorzugt nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbinden durch Spritzguss erzielt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das faserverstärkte Kunststoffmaterial (2) in eine Spritzgussform (1) hinein gebracht wird, welche hinter dem hineingebrachten faserverstärkten Kunststoffmaterial ein oder mehrere Vertiefungen (3) aufweist und von der gegenüberliegenden Seite weiteres Kunststoffmaterial (5) in das faserverstärkte Kunststoffmaterial hineingepresst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem durch das Pressen des weiteren Kunststoffmaterials Kunststoffmaterial in Vertiefungen (3) gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem faserverstärktes, thermoplastisches Kunststoffmaterial auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die 20 bis 40 °C über der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffmaterials liegt, und die vorgeheizte Platte in einer Spritzgussform umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem PA 6,6, PA 6, PBT, PP, PET, PA 12, PPS, TPU und/oder PA 4,6 als Kunststoff oder Mischungen daraus eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem PS, ABS und/oder PC als Kunststoff oder Mischungen daraus eingesetzt werden.
Formteil bestehend aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (2) verbunden mit einem weiteren Kunststoffmaterial (5) mit solchen Verbindungsstellen, bei denen Fasern (7) des faserverstärkten Kunststoffmaterials nach außen verschoben sind.
Formteil nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Fasern (7) in Richtung einer angrenzenden, nach außen vorstehenden Fortsetzung (6) verschoben sind.
Formteil nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kunststoff thermoplastisch ist.
Formteil nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, bei dem das faserverstärkte thermoplastische Material Endlosfasern aufweist.
Formteil nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, bei dem das faserverstärkte Material 0,5 bis 6 mm dick ist.
Formteil nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche umfassend einen Kunststoff (5), der durch geschnittene Fasern verstärkt ist, die vorzugsweise eine durchschnittliche Faserlänge von 10 bis 300 μm aufweisen.
Formteil nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche bei dem das Formteil eine Ölwanne, eine Spritzwand oder ein Helm ist.