DE4415195C2

DE4415195C2 - Langfaserverstärkte Schrauben und Gewindestäbe aus thermoplastischen Kunststoffen, diese Schrauben und Gewindestäbe und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4415195C2
Application number: DE19944415195
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dipl Ing Kruedener
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1994-04-30
Filing date: 1994-04-30
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2014-05-01
Also published as: WO1995029800A1; DE4415195A1; EP0758291A1; JPH10500365A

Description

Die Erfindung betrifft Schrauben und Gewindestäbe aus langfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen sowie das zu deren Herstellung entwickelte Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ausgangsmaterial ist ein thermoplastisches Granulat, in dem mittels eines Pultrusionsverfahrens die Fasern von ca. 8 µm Dicke, z. B. Glasfasern, über der gesamten Länge des Granulatkornes (10 bis 12 mm) achsparallel angeordnet und im Matrixmaterial eingebettet sind. Die Fasergehalte rei chen von 20 bis ca. 60 Gew.-%.

Gegenüber bereits auf dem Markt angebotenen Schrauben aus Thermoplasten mit Kurzglasfaserverstärkung wird sowohl eine höhere Zugfestigkeit als auch eine Verbesserung des Kriechverhaltens bei Dauerbelastung erreicht, indem die Langfasern auch im Spritzteil vorwiegend axial ausgerich tet eingebracht werden. Gegenüber verstärkten Schrauben mit duroplastischer Matrix ergibt sich der Vorteil einer höheren Schlagzähigkeit und der Vorteil der Wiederauf arbeitbarkeit zu kurzfaserverstärktem Granulat.

Neben dieser Verstärkungsart, die auch als diskontinuierlich langfaserverstärkt bezeichnet wird, können Schrauben aus thermoplastischen Kunststoffen auch langfaserverstärkt werden, indem die Fasern in Form von Rovings über der gesamten Länge der Schraube eingebettet sind (Offenlegungsschrift DE 38 39 835 A). Diese zweite Art der Langfaserverstärkung hat jedoch gegenüber der diskontinuierlichen Langfaserverstärkung den technologischen Nachteil, daß sie nicht mittels Spritzgießens verwirklicht werden kann.

Diskontinuierlich langfaserverstärkte Schrauben bzw. Gewindestäbe aus pulltrudierten Thermoplasten sind zwar schon in der Offenlegungsschrift DE 40 16 427 beschrieben; gegenüber den dort dargestellten Schrauben bzw. Gewindestäben besteht die Aufgabe bei den hier beschriebenen Schrauben darin, daß sie in ihrer endgültigen Form, also mit Köpfen, in einem Arbeitsgang mittels des im folgenden beschriebenen speziellen Spritzgießverfahrens hergestellt werden können, mit dem eine wesentlich bessere axiale Faserausrichtung möglich ist als nach DE 40 16 427.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Gegenüber dem für Klöckner-Ferromatik Desma GmbH unter der Nr. DE-PS 38 10 954 patentierten Gegentaktspritzgießen, mit dem ebenfalls ein Schichtbildungsvorgang erreicht werden kann, hat das hier beschriebene Verfahren zwei Vorteile:

1. Die gleichgerichtete Füllströmung bewirkt keinen Wechsel der parabolischen Faserorientierung im noch flüssigen Kern und damit keine zusätzliche Biege-Bruch beanspruchung der Fasern;
2. Der Schichtaufbau kann kontinuierlich, d. h. ohne "Jahresringe" erfolgen. Durch die gleichförmige Durch strömung kommt es nicht so schnell zum Einfrieren der Anschnitte und/oder Angüsse wie bei der diskontinuier lichen Stromumkehr des Gegentaktverfahrens.

Entsprechend der beigefügten Figur wird mit einer üblichen Spritzgießmaschine die Kavität im Werkzeug von einer Seite her so gefüllt, daß sich eine Quellströmung ergibt. In Wandnähe werden die Fasern durch die dort sich einstellen de Scherströmung axial ausgerichtet und frieren ein. Die so orientierten Fasern bewirken eine Verbesserung der mecha nischen Eigenschaften in Schraubenlängsrichtung. Im zen tralen Bereich hingegen orientieren sich die Fasern vor wiegend quer zur Längsachse in parabolischer Form ent sprechend der Fließfront und tragen deshalb nicht zur Ver besserung der mechanischen Eigenschaften in Längsrichtung der Schraube bei. Um auch im inneren Bereich eine axiale Ausrichtung zu erreichen, wird die Schmelze über den ei gentlichen Füllvorgang hinaus durch einen zweiten Anschnitt bzw. Überlauf in einen Schmelzespeicher gepumpt, so daß an der bereits eingefrorenen Randschicht weitere Schmelze partien infolge Scherströmung mit axial ausgerichteten Fasern einfrieren.

Nach Ende des Füll- bzw. Überfüllvorganges, d. h. während der abschließenden Kühlphase im Werkzeug, wird die Schmel ze aus dem Speicher über einen temperierten Rücklauf in den Schneckenvorraum des Spritzaggregates zurückgepumpt. Dabei wird die Schnecke entweder gegen einen auf p = 0 bar eingestellten Staudruck oder mittels Dekompression zu rückgefahren. Sowohl im Spritzaggregat als auch im Werk zeug ergibt sich aufgrund verschiedender Bruchmechanismen ein Faserlängenabbau. Um diesen Abbau gering zu halten, ist beim Plastifizieren ohne Staudruck und ohne Verschluß düse zu arbeiten. Die Rückstromsperre sollte modifiziert und Umlenkungen im Werkzeug müssen so sanft wie möglich sein. Auch beim Überlauf in den Schmelzespeicher und bei der Rückführung der Schmelze von dort in den Schneckenvor raum ergeben sich Faserverkürzungen. Da jedoch gerade die anfangs in den Speicher überströmende Schmelze noch einen relativ großen Anteil an wenig eingekürzten Fasern ent hält, ist diese Rückführung in bezug auf Faserabbau nicht nachteilig.

Nach Ende der Rückführung der Überlaufschmelze in den Schneckenvorraum fördert die Schnecke in üblicher Weise als Reibungspumpe weiteres Material in den Schneckenvor raum. Beim Einspritzen gelangt dann das im Umlauf zurück geführte Material mit kürzeren Fasern zuerst in die Kavi tät und friert in den Randschichten ein. Die kürzeren Fa sern eignen sich gut für die Ausbildung der Gewindegänge und für die Übertragung der dort auftretenden Querbean spruchungen im späteren Einsatz.

Der Kolben des Schmelzespeichers wird während des Über füllvorganges und einige Zeit danach so mit dem Hydrozylin der beaufschlagt, daß sich im Spritzling keine Lunker bil den. Um ein frühes Einfrieren der beiden Anschnitte zu ver hindern, dürfen diese nicht zu eng sein. Notfalls kann eine Temperierung der Anschnittbereiche vorgesehen werden. Die Füllgeschwindigkeit wird während des Füllvorganges ent sprechend dem sich verringernden Strömungsquerschnitt re duziert.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Schrauben und Gewindestäben, bei dem die Schmelze eines langfaserverstärkten, thermoplastischen Materials aus einem Spritzgußaggregat über einen Anguß in mindestens eine Kavität, die mindestens einen Anguß und mindestens einen Überlauf aufweist, eingespritzt wird und diese füllt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Gleichstrom über den eigentlichen Füllvorgang hinaus solange durch den Überlauf in einen Schmelzespeicher gepumpt wird, bis es infolge von Scherströmungen zu einer vorwiegend axialen Anordnung der Fasern und zu einem Einfrieren der Schmelze kommt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Gleichstrom kontinuierlich durch die Kavität gefördert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzespeicher druckbeaufschlagter und beheizbar ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze aus dem Schmelzespeicher wieder in einen Schneckenvorraum des Spritzgießaggregates zurückgeführt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Schmelzespeicher zurückgeführte Schmelze gemeinsam mit neu aufbereiteter Schmelze in einem weiteren Spritzgießzyklus verarbeitet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Schmelzespeicher zurückgeführte Schmelze vor der neuaufbereiteten Schmelze in einem weiteren Spritzgießzyklus verarbeitet wird.

7. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Zweikomponenten-Spritzgießmaschine die Kavität über den Anguß vorab mit der Schmelze eines kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Materials beaufschlagt wird, die sich dann als Komponente A in den Gewindegängen und im Kopfbereich anordnet und anschließend mit einem zweiten Spritzaggregat durch den gleichen Anguß die Schmelze eines langfaserverstärkten, thermoplastischen Materials als Komponente B nach bzw. überfüllt wird.

8. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzgußteile in einem Mehrfachwerkzeug in Serie oder parallel spritzgegossen werden.

9. Faserverstärkte Schrauben und Gewindestäbe mit überwiegend parallel zur Schraubenlängsachse angeordneten Langfasern, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche erhalten werden.

10. Faserverstärkte Schrauben und Gewindestäbe gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese hohl spritzgegossen sind.