DE102017123721A1

DE102017123721A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen

Info

Publication number: DE102017123721A1
Application number: DE102017123721.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Moser; Maximilian Schadhauser; Nicolina Topic
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-18
Also published as: WO2019072485A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen, wobei Endlosfaserstränge (10a, 10b,...) oder geschnittene Glasfaserstränge einer Plastifiziereinheit (3) zugeführt werden. Die Plastifiziereinheit (3) weist einen Zylinder (4) und in dem Zylinder (4) eine dreh- und linearantreibbare Schnecke (5) auf. Über eine erste Öffnung (8) in dem Zylinder (4) wird ein aufzuschmelzendes Kunststoffmaterial eingegeben. Förderabseitig von der ersten Öffnung (8) werden über eine zweite Öffnung (9) die Endlosfaserstränge (10a, 10b,...) oder die geschnittenen Glasfaserstränge in den Zylinder (4) eingegeben und von der Schnecke (5) durch Rotation eingezogen. Aufgeschmolzenes und mit Fasermaterial versetztes Kunststoffmaterial wird durch einen Einspritzhub der Schnecke in ein Formwerkzeug (2) eingespritzt. Zur Verbesserung der Homogenität der Faserkonzentration in den Schneckengängen und somit auch im Formwerkzeug ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schnecke (5) während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird und gleichzeitig Endlosfaserstränge oder geschnittene Glasfaserstränge in die Schneckengänge eingezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die WO2011/066917A2 offenbart eine Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen, mit einem Zylinder und mit einer in dem Zylinder dreh- und linearantreibbaren Schnecke, wobei in dem Zylinder eine erste Öffnung als Einfüllöffnung für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen ist, und wobei förderabseitig von der ersten Öffnung in dem Zylinder eine zweite Öffnung als Einfüllöffnung für die Zufuhr von einem oder mehreren Faserbündeln vorgesehen ist. Die Faserbündel können von einer oder mehreren Faserspulen abgezogen werden. Bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils werden die Fasern von der Schnecke bei deren Rotation eingezogen und in die Schmelze untergemischt. Die Menge der eingezogenen Faserbündel ist von der Schneckendrehzahl und der axialen Verfahrbewegung der Schnecke abhängig. Dabei erzeugt der Fasereinzug durch die Schneckenrotation während des Plastifizierens eine wesentlich höhere Faserkonzentration in den Schneckengängen als der Einzug durch die axiale Verfahrbewegung bei der Ausführung des Einspritzhubs. Dies führt zu einer inhomogenen Faserkonzentration in den Schneckengängen, die wiederum in inhomogener Faserkonzentration im faserverstärkten Kunststoff-Formteil münden kann. Zudem führt eine inhomogene Faserkonzentration zu Schwankungen in der Plastifizierzeit.
Aus der WO2014/04866A1 ist eine Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen bekannt, bei der das Fasermaterial in Form von geschnittenen Fasern in die Plastifiziereinheit eingegeben wird. Während der Ausführung des Einspritzhubs verringert sich die Faserkonzentration in der Schmelze im Vergleich zur Phase des Plastifizierens Dies führt zu einer inhomogenen Faserkonzentration in den Schneckengängen, die wiederum in inhomogener Faserkonzentration im faserverstärkten Kunststoff-Formteil münden kann. Zudem führt eine inhomogene Faserkonzentration zu Schwankungen in der Plastifizierzeit.
Um eine inhomogene Faserkonzentration in gewissem Maße auszugleichen, kann die eingesetzte Schneckenwelle wahlweise eine oder mehrere Mischzonen aufweisen oder sehr lang ausgeführt werden, sodass eine überproportional hohe, schneckengebundene konvektive Mischwirkung entsteht. Auch eine Kombination aus langer Schneckenwelle und Mischzone ist denkbar. Der Nachteil dieser beiden Möglichkeiten besteht in erhöhten Herstellkosten einer verlängerten Plastifiziereinheit und der verstärkten Faserlängenverkürzung die mit Mischoperationen einhergeht.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem faserverstärkte Kunststoff-Formteile auf einer mit einer Einschnecken-Plastifiziereinheit ausgestatteten Spritzgießmaschine hergestellt werden können, wobei die spritzgegossenen Kunststoff-Formteile eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen auch verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten zu erzielen.
Diese Lösung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Dadurch, dass die Schnecke auch während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden. lassen sich Schwankungen in der Faserkonzentration in der Schmelze und damit auch im spritzgegossenen Kunststoff-Formteil vermeiden. Es kann auf ein distributiv wirkendes Mischteil verzichtet werden. Ein dispersiv wirkendes Mischteil kann vorgesehen sein, um gegebenenfalls auftretende Agglomerate auflösen zu können.
Außerdem kann anstelle einer Schnecke mit einer relativ langen Meteringzone zwecks Homogenisierung der Faserkonzentration für das erfindungsgemäße Verfahren eine Schnecke mit einer demgegenüber kürzer ausgebildeten Meteringzone verwendet werden, was sich in einer Reduzierung der Kosten für die Schnecke bemerkbar macht. Das gilt unabhängig davon, ob ein Mischteil vorhanden ist oder nicht.
Es ergibt sich eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen liegen auch verbesserte mechanische Eigenschaften im Formteil vor. Zudem kann eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten erzielt werden. Das Fasermaterial kann in Form von Endlosfasersträngen zugeführt werden. Es können aber auch geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, als Fasermaterial verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schneckendrehzahl während der Ausführung des Einspritzhubs derart geregelt werden, dass der Fasergehalt in den Schneckengängen konstant gehalten wird.
Dabei kann die Schneckendrehzahl vorzugsweise gemäß folgender Formel bestimmt bzw. geregelt werden: $n_{i n j} = c \cdot \frac{v_{i n j} \cdot n_{p l}}{v_{s c r e w, b a c k}}$

c:: Proportionalitätsfaktor, empirisch ermittelt oder aus Schneckengeometrie berechnet.
n_inj:: Drehzahl während des Einspritzens
v_inj:: Einspritzgeschwindigkeit
n_pl:: Schneckendrehzahl während des Plastifizierens

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Granulateindosierung während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen wird.
Die Schneckendrehzahl (n_inj.) kann während eines Einspritzhubs verschiedene Werte annehmen.
Das aufzuschmelzende Kunststoffmaterial kann vorzugsweise als Granulat eingegeben werden, wobei die Eingabe des Granulats als Granulateindosierung in die erste Öffnung mit einem gravimetrisch oder volumetrisch betriebenen Granulatdosiergerät erfolgen kann.
Die Granulateindosierung kann während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen werden.
Vorzugsweise kann der Granulatmassestrom dm_Granulat/dt, der während des Einspritzens in die Schneckengänge eindosiert werden soll, gemäß folgender Formel bestimmt bzw. geregelt werden, d.h. für die Granulateindosierung kann folgende Formel zugrunde gelegt werden: ${\dot{m}}_{Granulat} = \frac{1 - c_{f a s e r}}{c_{f a s e r}} \cdot {\dot{m}}_{f a s e r}$

c_faser:: Gewünschter Fasergehalt im Bauteil
ṁ_faser :: Fasermassestrom während des Einspritzens (Bekannt, da durch Faserzuführvorrichtung aufgeprägt)

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die 1 und 2 näher beschrieben werden.
Die in der 1 dargestellte Spritzgießmaschine 1 umfasst im Wesentlichen eine vorliegend nur schematisch angedeutete Schließeinheit 2 sowie eine Plastifiziereinheit 3, welche als Spritzeinheit ausgebildet ist. Schließeinheit 1 und Spritzeinheit 3 sind in an sich bekannter Weise auf einem hier nicht dargestellten Maschinenbett angebracht. Die Spritzeinheit 3 umfasst einen Zylinder 4 mit einer Schnecke 5. Auf der Außenseite des Zylinders 4 sind mehrere Heizelemente 19 angebracht. Das hintere Ende der Schnecke 5 ist mit einem Drehantrieb 6 und einem Linearantrieb 7 wirkverbunden. Im hinteren Endbereich der Schneckengänge ist eine erste Öffnung als Einfüllöffnung 8 für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen. Förderabseitig von der ersten Öffnung 8 ist in dem Zylinder 4 eine zweite Öffnung als Einfüllöffnung 9 für die Zufuhr eines Fasermaterials 10 vorgesehen. Das Fasermaterial kann als Endlosfaserstränge 10a bis 10f (auch Rovings genannt) in einem geeigneten Faservorratsbehälter 18 bereitgestellt werden. Der Faservorratsbehälter 18 kann als Fasergatter mit mehreren Faserspulen ausgebildet sein, von denen die Endlosfaserstränge 10a - 10f abgezogen werden können. Es können aber auch geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, als Fasermaterial verwendet und in die Einfüllöffnung 9 eingegeben werden. Am vorderen Ende weist die Schnecke 5 eine Rückströmsperre 11 auf. Gegebenenfalls kann förderabseitig von der Rückströmsperre 11 ein mit der Schnecke 5 drehfest verbundenes und mit dieser mitrotierendes, dispersiv und/oder distributiv wirkendes Mischteil 12 vorgesehen sein, das so ausgebildet sein sollte, dass eine möglichst faserschonende Mischwirkung vorliegt.
Die 2 zeigt eine Situation nach der Ausführung eines Einspritzhubs, kurz nach dem erneuten Plastifizierbeginn. Zwischen zwei Abschnitten 20 und 21 mit Fasermaterial befindet sich ein Abschnitt 22 mit einer reduzierten Konzentration an Fasermaterial. Der Einfachheit halber ist der Abschnitt 22 so dargestellt, als ob kein Fasermaterial vorhanden wäre. In der Praxis ist es jedoch so, dass auch dort Fasermaterial in den Schneckengängen vorhanden ist. Es lediglich so, dass über die gesamte Schnecke 5 gesehen, förderabseitig von der Einfüllöffnung 9 für das Fasermaterial insgesamt eine inhomogene Faserkonzentration in den Schneckengängen vorliegt. Die Abschnitte 20 und 21 bilden Zonen mit einer vergleichsweise hohen Faserkonzentration, wohingegen der Abschnitt 22 eine Zone mit einer vergleichsweise niedrigen Faserkonzentration darstellt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Einschnecken-Plastifiziereinheit in der Weise betrieben wird, dass die Schnecke 5 auch während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden. Während des Einspritzhubs wird somit Fasermaterial nachgefördert . Dadurch lassen sich Schwankungen in der Faserkonzentration in den Schneckengängen und damit auch im spritzgegossenen Kunststoff-Formteil vermeiden. Es ergibt sich eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen liegen auch verbesserte mechanische Eigenschaften im Formteil vor. Zudem kann eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten erzielt werden.

In den Tabellen 1 und 2 sind verschiedene Varianten für ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Tabelle 1: Prozessablauf Variante 1

Prozess phase	Schnecke dreht (→ Fasereinzug)	Granulateindosierung
Einspritzen	Ja	Ja
Nachdruck	Ja	Ja
Dekompressionshub 1	Nein	Nein
Plastifizieren	Ja	Ja
Dekompressionshub 2	Nein	Nein
Restkühlzeit	Nein	Nein

Tabelle 2: Prozessablauf Variante 2

Prozess phase	Schnecke dreht (→ Fasereinzug)	Granulateindosierung
Einspritzen	Ja	Nein
Nachdruck	Ja	Nein
Dekompressionshub 1	Nein	Nein
Plastifizieren	Ja	Ja
Dekompressionshub 2	Nein	Nein
Restkühlzeit	Nein	Nein

Die Bestimmung der Schneckendrehzahl n_inj während des Einspritzens, die notwendig ist, um die Faserkonzentration konstant zu halten, erfolgt gemäß der nachfolgend dargestellten Formel: $n_{i n j} = c \cdot \frac{v_{i n j} \cdot n_{p l}}{v_{s c r e w, b a c k}}$

Der Granulatmassestrom dm_Granulat/dt, der während des Einspritzens in die Schneckengänge eindosiert wird, berechnet sich gemäß der nachfolgend dargestellten Formel, d.h. für die Granulateindosierung gilt: ${\dot{m}}_{Granulat} = \frac{1 - c_{f a s e r}}{c_{f a s e r}} \cdot {\dot{m}}_{f a s e r}$

Bezugszeichenliste

1: Spritzgießmaschine
2: Schließeinheit
3: Plastifiziereinheit
4: Zylinder
5: Schnecke
6: Drehantrieb
7: Linearantrieb
8: Erste Einfüllöffnung - Kunststoffmaterial
9: Zweite Einfüllöffnung - Fasermaterial
10a - 10f: Faserstränge
11: Rückströmsperre
12: Mischteil
18: Faservorratsbehälter bzw. Fasergatter mit mehreren Faserspulen
19: Heizelemente
20, 21: Zone mit hoher Faserkonzentration
22: Zone mit niedriger Faserkonzentration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/066917 A2 [0002]
WO 2014/04866 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen, wobei Endlosfaserstränge (10a, 10b, 10c., 10d, 10e, 10f) oder geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, einer Plastifiziereinheit (3) zugeführt werden, wobei die Plastifiziereinheit (3) einen Zylinder (4) und in dem Zylinder (4) eine dreh- und linearantreibbare Schnecke (5) aufweist, wobei über eine erste Öffnung (8) in dem Zylinder (4) ein aufzuschmelzenden Kunststoffmaterial eingegeben wird, wobei förderabseitig von der ersten Öffnung (8) über eine zweite Öffnung (9) die Endlosfaserstränge (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) oder die geschnittenen Faserstrangabschnitte in den Zylinder (4) eingegeben und von der Schnecke (5) durch Rotation in die Schneckengänge eingezogen werden, und wobei aufgeschmolzenes und mit Fasermaterial versetztes Kunststoffmaterial durch einen Einspritzhub der Schnecke in ein Formwerkzeug (2) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (5) während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrehzahl (n_inj) während der Ausführung des Einspritzhubs derart gewählt wird, dass die Faserkonzentration in den Schneckengängen konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrehzahl (n_inj.) während des Einspritzhubs verschiedene Werte annimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schneckendrehzahl (n_inj.) gilt: $n_{i n j} = c \cdot \frac{v_{i n j} \cdot n_{p l}}{v_{s c r e w, b a c k}}$
wobei: c: Proportionalitätsfaktor, empirisch ermittelt oder aus Schneckengeometrie berechnet. n_inj: Drehzahl während des Einspritzens v_inj: Einspritzgeschwindigkeit n_pl: Schneckendrehzahl während des Plastifizierens
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuschmelzende Kunststoffmaterial als Granulat eingegeben wird, wobei die Eingabe des Granulats als Granulateindosierung mit einem gravimetrisch oder volumetrisch betriebenen Granulatdosiergerät erfolgt
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulateindosierung während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen wird
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Granulateindosierung gilt: ${\dot{m}}_{Granulat} = c \cdot \frac{1 - c_{f a s e r}}{c_{f a s e r}} \cdot {\dot{m}}_{f a s e r}$
wobei: c_faser: Gewünschter Fasergehalt im Bauteil ṁ_faser : Fasermassestrom während des Einspritzens (Bekannt, da durch Faserzuführvorrichtung aufgeprägt)