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Die
vorliegende Erfindung hat ein neues Verfahren zum Herstellen von
Stücken
zur Aufgabe, die mit themeroplastischem Material verstärkt sind,
sowie die Stücke,
die durch dieses Verfahren erzielt werden.
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Es
ist bekannt, dass das Einspritzverfahren, das geläufig zum
Herstellen von Stücken
aus thermoplastischem Material verwendet wird, darin besteht, unter
sehr hohem Druck das thermoplastische Material in pastenartigem
Zustand in die Form einzuspritzen, deren Form der Form des Stücks entspricht,
das hergestellt werden soll, das so geformte thermoplastische Material
abzukühlen
und die Form zu öffnen, um
das hergestellte Stück
zu erzielen.
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Man
kennt auch ein Verfahren, um mindestens eine Seite des Stücks aus
thermoplastischem Material, das so hergestellt wird, mit einer Beschichtung,
wie zum Beispiel einem Gewebe, einem Gestrick oder einem Vlies zu
versehen, das darin besteht, ein solches Blatt in der Form vor dem
Einspritzen des thermoplastischen Materials anzuordnen.
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Derartige
Beschichtungen können
zum Ziel haben, das Erscheinungsbild des so hergestellten Stücks zu ändern und/oder
dieses Stück
zu verstärken,
wenn die Beschichtung zum Beispiel Fasern aus einem besonders widerstandsfähigen Material
enthält.
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Ein
solches Verfahren weist den Nachteil auf, dass das Einspritzen des
thermoplastischen Materials dazu tendiert, das Blatt zu verschieben,
wobei es ihm Falten oder Wellungen verleiht, die das so erzielte
Stück inakzeptabel
machen.
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Eine
bekannte Lösung,
zum Beispiel aus EP-A-0 333 198, um diesen Nachteil zu vermeiden, besteht
darin, die Ränder
des Blatts in der Formteilfläche
einzuklemmen, was in einem gewissen Ausmaß den oben genannten Nachteil
vermeidet, jedoch den Nachteil aufweist, dass das Blatt aus dem
Objekt auf der Formteilfläche
heraussteht, und dass die Verformungsfähigkeit des Blatts im Fall
von komplizierten Formen dadurch eingeschränkt ist.
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Eine
weitere bekannte Lösung
besteht darin, das Blatt vorzuformen, damit es sich im Wesentlichen an
die Form der Form anpasst, was die Gefahr von unzeitigen Verformungen
des Blatts einschränkt.
Diese Lösung
ist jedoch kostspieliger umzusetzen.
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Man
kennt ferner ein Herstellungsverfahren von Stücken aus thermoplastischem
Material, das im Allgemeinen mit dem Namen Extrusion-Kompression oder
Einspritz-Kompression bezeichnet wird, das darin besteht, eine Form
mit positiver Formteilfläche
zu verwenden, die zwei Stücke
der Form zu trennen, indem die Formteilfläche im Allgemeinen im Wesentlichen
horizontal angeordnet wird, eine Masse aus thermoplastischem Material
im pastenartigen Zustand auf dem unteren Stück der Form abzulegen, die
Form dann wieder zu schließen,
indem ein Druck so ausgeübt
wird, dass eine regelmäßige Verteilung des
thermoplastischen Materials im Inneren der Form erzielt wird.
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Dieses
Verfahren wird mit dem Namen Extrusion-Kompression bezeichnet, wenn
die Masse aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Extrusionskopfs
abgelegt wird, während
man es Einspritzen-Kompression nennt, wenn die Masse von einem Einspritzkopf
abgelegt wird.
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Dieses
Extrusions-Kopressions- oder Einspritz-Kompressionsverfahren wurde
bereits verwendet, um Verkleidungswerkstoffe abzuformen, um Stücke aus
thermoplastischem Material herzustellen, die mit dekorativen, schalldämmenden
oder dichten Folien beschichtet sind.
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So
offenbart GB-2 070 504-A bereits 1981 ein Verfahren zum Herstellen
einer Formflanke, die dazu bestimmt ist, nach dem Formen unter Vakuum einen
Behälter
aus thermoplastischem Material zu bilden, dessen Wand vielschichtig
ist. Die Formflanke geht aus einem Abformen durch Komprimieren hervor,
das heißt
durch Annähern
der zwei Hälften
der Form mit einer Masse aus Polypropylen gegen eine zuvor in der
Form angeordnete Folie, um eine Vielschichtenflanke zu erzielen,
die danach unter Vakuum zu formen ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen besonderen Einsatz des Extrusions-Kompressionsverfahrens
oder des Spritz-Kompressionsverfahrens, um einfach und effizient
die Probleme zu lösen,
die sich bei der Herstellung verstärkter Stücke aus thermoplastischem Material
ergeben, indem die aus den früheren
Verfahren hervorgehenden Nachteile eliminiert werden.
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FR-2-628
448 beschreibt einen Einsatz des Kompressionsverfahrens, um ein
verstärktes
Stück ausgehend
von einer Verstärkungstextilarmierung
zu erzielen, die in einer offenen Form angeordnet wird, in welcher
man zuvor Massen eines Gemischs aus einem Harz und Fasern (Compound
genanntes Gemisch) abgelagert hat.
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EP-0
423 676-A2 offenbart auch ein Kompressionsverfahren einer Harzmasse,
die in einer offenen Form abgelagert ist, und eines Verstärkungsblatts
zum Herstellen eines verstärkten
Stücks.
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Das
verwendete Harz ist ein Ethylenpropylencopolymer, dessen „M.F.I.", das heißt dessen „Melt Flow
Index" oder Flüssigkeitsindex
65 Gramm pro 10 Minuten beträgt.
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Die
vorliegende Erfindung hat ein neues Verfahren zum Herstellen verstärkter Stücke aus
thermoplastischem Material zur Aufgabe, indem die Extrusions-Kompressionstechnik
oder die Einspritz-Kompressionstechnik verwendet wird, bei dem man
mindestens ein Verstärkungsblatt
in einer Form mit offener positiver Formteilfläche ablegt, sowie mindestens
eine Masse des thermoplastischen Materials, man die Form schließt und man
sie nach dem Abkühlen
des thermoplastischen Materials öffnet,
um aus ihr das Stück
zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verstärkungsblatt
im Inneren der Form ablegt, indem man es frei lässt, wobei die Maße des Blatts
so sind, dass beim Schließen
der Form der Umfang des Blatts nicht in der Formteilfläche der
Form eingeklemmt wird, wobei das Verstärkungsblatt aus durchgehenden
Verstärkungsfasern oder
-fäden
besteht, wobei sich das thermoplastische Material, das in die Form
eingeführt
wird, in pastenartigem Zustand befindet, wobei die relativen Positionen
der Verstärkungsblätter und
des thermoplastischen Materials derart sind, dass zum Zeitpunkt
des Schließens
der Form das Abfließen
des thermoplastischen Materials zentrifugal erfolgt und kein unzeitiges
Verschieben oder Verformen des Verstärkungsblatts verursacht.
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Erfindungsgemäß bedeutet
die Tatsache, dass das Verstärkungsblatt
in der Form freigelassen wird, dass der Umfang dieses Blatts nicht
in der Formteilfläche
eingeklemmt wird, so dass es sich frei verformen kann.
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Sollte
das Blatt natürlich
stellenweise eingeklemmt werden, ohne dass dieses Einklemmen die Verformung
des Blatts behindert, würde
das Blatt im Sinne der Erfindung als in der Form frei angesehen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verstärkungsblatt
in die Form unter und/oder über
der Masse aus thermoplastischem Material angeordnet, so dass jedes
dieser Blätter
auf einer der Seiten des hergestellten Stücks angeordnet ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist das Verstärkungsblatt
zwischen zwei Massen aus thermoplastischem Material angeordnet, was
es erlaubt, es komplett mit dem thermoplastischen Material, mit
dem man das Stück
herstellt, zu überziehen.
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Diese
zweite Ausführungsform
ist vorteilhaft, denn sie erlaubt es, ein innen verstärktes Stück herzustellen,
das die gleiche Erscheinungsform wie ein nicht verstärktes Stück hat.
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Man
stellt in der Tat fest, dass das Blatt, indem es frei ist, um sich
zu verformen, in der Stärke des
Stücks
bleibt und nicht bündig
zu den Seiten des Stücks
kommt.
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Ferner
erlaubt es die Tatsache, dass das Verstärkungsblatt in der Form freigelassen
wird, ohne es an seinem Umfang einzuklemmen, es zu überziehen,
inklusive der Ränder
des Verstärkungsblatts,
und es daher komplett in dem Stück
zu verbergen, was ferner eine Nacharbeitsoperation vermeidet, die
darin bestünde,
das Verstärkungsblatt
am Umfang des so erzielten geformten Stücks abzuschneiden.
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Bei
einer Variante kann das Verstärkungsblatt
auch auf mindestens eine der zwei Seiten der Form gegeben werden.
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Aus
den Versuchen, die von der Antrag stellenden Gesellschaft durchgeführt wurden,
ergibt sich, dass, anders als man befürchten konnte, beim Umsetzen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
keine störende
Verformung des Verstärkungsblatts
oder der Verstärkungsblätter, auch
wenn sie in der Form feigelassen wurden, auftreten, wie zum Beispiel
Falten oder unzeitige Verschiebungen, wie das bei den herkömmlichen
Einspritzverfahren auftritt.
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Erfindungsgemäß kann das
Positionieren der Masse aus thermoplastischem Material nämlich leicht
derart bestimmt werden, dass das thermoplastische Material beim
Schließen
der Form ein Verschieben des zentrifugalen Typs erfährt, das
im Wesentlichen in alle Richtungen gleich ist und dazu tendiert,
den Umfang der Verstärkungsblätter nach
außen
zurückzuschieben,
ohne Letztere global zu verschieben, wobei daher unzeitige Verformungen
aufgrund der Tatsache vermieden werden, dass die Blätter so
von dem thermoplastischen Material in zentrifugaler Bewegung gespannt
werden, jedoch frei sind, um sich an die Form des Stücks anzupassen.
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Außerdem erzeugen
die Flüsse
an thermoplastischem Material beim Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
geringere Drücke
als mit den herkömmlichen
Einspritzverfahren, so dass diese Flüsse viel weniger dazu tendieren,
die Verstärkungsblätter unzeitig
zu verformen.
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Die
aktiven Elemente der Verstärkungsblätter können zum
Beispiel aus Glas-, Aramid-, Kohlenstofffasern oder natürlichen
Produkten, wie zum Beispiel Leinen oder auch aus Drähten oder
Metallfasern bestehen.
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Die
Verstärkungsblätter können in
Form eines Gewebes hergestellt werden, das ausgehend von durchgehenden
Fasern erzielt wird, die die aktiven Elemente des Verstärkungsblatts
bilden.
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Gemäß einer
bevorzugten ersten Ausführungsform
der Verstärkungsblätter sind
die Fasern oder die Fäden,
die die aktiven Elemente dieser Blätter bilden, mit Fasern oder
Fäden aus
thermoplastischem Material wie zum Beispiel Polypropylen kombiniert,
die sich, wenn sie auf eine entsprechende Temperatur angehoben werden,
eng mit dem thermoplastischen Material verschweißen, mit welchem das Stück hergestellt
wird.
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Man
erzielt auf diese Art und Weise eine perfekte feste Verbindung des
Verstärkungsblatts
und des thermoplastischen Materials, aus dem das Stück hergestellt
wird.
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Erfindungsgemäß ist es
vorteilhaft, die Verstärkungsblätter vorzuwärmen, zum
Beispiel auf eine Temperatur von etwa 120 bis 300°C, zum Beispiel 150°C, bevor
sie in die offene Form eingeführt
wird, was das Verschmelzen der thermoplastischen Fasern und ihr
Haften an dem thermoplastischen Material erleichtert, das das Stück bildet.
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Bei
einer ersten Variante dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet
man Gestrick oder Gewebe, die mit Hilfe von zwei verschiedenen Fäden oder
Fasern hergestellt werden, nämlich
einerseits Verstärkungsfasern
oder -fäden,
wie zum Beispiel Fäden
oder Fasern aus Glas, Aramid, Kohlenstoff oder sogar metallische,
und andererseits Fasern oder Fäden
aus thermoplastischem Material, die durch ihr Verschmelzen das feste
Verbinden des Verstärkungsblatts
mit dem thermoplastischen Material, das das Stück bildet, bewirken.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet man ein Verstärkungsblatt
mit offener Struktur, das nur oder im Wesentlichen Verstärkungsfasern
oder -fäden
wie zum Beispiel die aufweist, die in Zusammenhang mit der ersten
Ausführungsform
angegeben wurden.
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Das
feste Verbinden zwischen dem Verstärkungsblatt und dem thermoplastischen
Material, das das Stück
bildet, erzielt man aufgrund der Tatsache, dass das thermoplastische
Material in die offene Struktur des Verstärkungsblatts eindringt, das
daher völlig
mit thermoplastischem Material getränkt und daher von diesem Letzteren
absorbiert wird.
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In
beiden Ausführungsformen
ist es wünschenswert,
das Verstärkungsblatt
vorzuwärmen,
um ein besseres Haften dieses Letzteren an dem thermoplastischen
Material sicherzustellen. Dieses Vorwärmen kann auf etwa 80 bis 250°C, zum Beispiel 100°C erfolgen,
wenn das Verstärkungsblatt
keine thermoplastischen Fasern oder Fäden aufweist.
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Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
Stücke
aus verstärktem
thermoplastischem Material herzustellen, die auf mindestens einer
ihrer Seiten besondere Erscheinungsbilder aufweisen.
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Erstens
ist es klar, dass, wenn man ein Verstärkungsblatt verwendet, das
von dem thermoplastischen Material bei dem Schließen der
Form nicht durchquert werden kann, die Seite des Stücks, die dem
Verstärkungsblatt
gegenüberliegt,
ein Erscheinungsbild aufweist, das allein von der Oberfläche der Form
abhängt,
an welche die Masse aus thermoplastischem Material beim Umsetzen
des Verfahrens angelegt wird, und von der Beschaffenheit des thermoplastischen
Materials.
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Ferner
ist es erfindungsgemäß möglich, in die
Form auch Verstärkungsblätter einzuführen, die dazu
bestimmt sind, das Erscheinungsbild des erzielten Stücks zu ändern und/oder
eine Schall- und/oder Wärmedämmung herzustellen.
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Diese
Blätter
aus Beschichtung können
zum Beispiel aus einer Folie, einem Gewebe, einem Gestrick oder
einem Schaumstoff bestehen, der eventuell dekoriert ist.
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Natürlich müssen diese
Beschichtungen eine Struktur haben, die es ihnen erlaubt, an dem Stück bei dessen
Herstellungsprozess zu haften.
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Das
thermoplastische Material kann unterschiedlicher Beschaffenheit
sein, zum Beispiel Polypropylen oder Styrolmaleinsäureanhydrid.
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Die
vorliegende Erfindung hat auch verstärkte Stücke aus thermoplastischem Material
zur Aufgabe, die durch das oben beschriebene Verfahren erzielt werden.
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Zum
besseren Verstehen der Erfindung werden nun beispielhaft und ohne
Einschränkung
einige Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, in welcher:
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1 eine
Ansicht im Querschnitt eines Balkens ist, der durch Umsetzen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wird,
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2 eine
Schnittansicht des unteren Stücks
einer Form ist, die zum Herstellen des Balkens der 1 verwendet
wird, und
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3 eine
Schnittansicht gemäß III-III
der 2 ist.
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1. Beispiel
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Zum
Herstellen eines im Wesentlichen flachen Stücks, das die Innenwand einer
Fahrzeugtür bildet,
bringt man mit Hilfe eines Einspritz- oder Extrusionskopfes eine
Polypropylenmasse mit einer Temperatur von 235°C in dem unteren Teil der Form auf,
der der verborgenen Seite der Türwand
entspricht. Das Volumen dieser Masse beträgt 0,780 Liter für ein Formvolumen
von 0,735 Liter.
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Danach
legt man auf diese Masse ein Verstärkungsblatt, das aus einem
Gewebe zu 100 g/m2 mit offener Struktur
besteht, das mit Hilfe von 40 Glasfasern oder -fäden und 60% Polypropylen hergestellt
wird, wobei das Gewebe zuvor auf die Temperatur von 100°C gebracht
wurde.
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Dieses
Blatt hat eine Form, die im Wesentlichen der der Tafel entspricht,
die hergestellt werden soll, aber mit leicht kleineren Maßen, so
dass der Umfang des Blatts im Inneren der Form liegt.
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Danach
legt man auf das Verstärkungsblatt ein
Gewebe mit Polypropylenaussehen, dann schließt man die Form, die man bis
zum Abkühlen des
Stücks
geschlossen hält,
und man formt ab.
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Beim
Schließen
der Form fließt
die Masse aus thermoplastischem Material zentrifugal in der Form
und spannt das Verstärkungsblatt.
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Die
Tatsache, dass sich das Verstärkungsblatt
nicht fältelt,
ist leicht erkennbar, denn das Erscheinungsbildgewebe ist direkt
mit dem Blatt in Berührung.
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Das
erzielte Stück
umfasst auf seiner Außenseite
das Erscheinungsbildgewebe, das perfekt glatt ist, und weist auf
seiner Innenseite ein Polieren auf, das der Endfertigung der Oberfläche der
Form entspricht. Das Verstärkungsblatt
ist weder auf den Seiten des Stücks
noch an seiner Kante sichtbar.
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2. Beispiel
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Man
stellt erfindungsgemäß eine Verstärkung her,
die dazu bestimmt ist, in das Innere des Metallaufbaus der Fahrzeuge
im rechten Winkel zu den Sitzen angeordnet zu werden. Diese Verstärkung erlaubt
es den Insassen des Fahrzeugs, allmählich zum Inneren des Fahrgastraums
verschoben zu werden, so dass Traumata und Verletzungen bei einem
seitlichen Aufprall eingeschränkt
werden.
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Dieses
Stück besteht
aus einer Platte zu etwa 140 × 240
mm mit einer Stärke
von 3 bis 5 mm, deren Oberfläche
auf der Seite der Fahrgastzelle völlig glatt ist. Auf ihrer anderen
Seite ist diese Platte durch eine Vielzahl gekreuzter Rillen parallel
zu den Außenrändern zu
5 mm Stärke
versteift, die sich über eine
Höhe von
6 bis 8 mm erstrecken.
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Zum
Herstellen dieses Stücks
fügt man
mit einem Einspritz- oder Extrudierkopf eine Masse aus SMA (Styrolmaleinsäureanhydrid)
mit 30% Glasfasern bei einer Temperatur von 250°C in den unteren Teil der Form
ein, der die Vertiefungen der gekreuzten Rillen aufweist.
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Danach
legt man ein Verstärkungsblatt
in die Form, das aus einem Gewebe zu 660 g/m2 mit
offener Struktur besteht, bestehend aus 75% Glasfäden und
25 SMA-Fäden,
das zuvor auf eine Temperatur von 180°C gebracht wird.
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Dieses
Blatt hat eine Form, die im Wesentlichen der des herzustellenden
Stücks
entspricht, jedoch leicht kleinere Maße hat.
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Mit
Hilfe eines Extrudierkopfs bringt man dann auf das Verstärkungsblatt
eine zweite SMA-Masse ohne Glasfasern auf, dann schließt man die
Form, die man anschließend
bis zum Abkühlen des
Stücks
geschlossen hält.
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Das
Volumen der ersten Masse aus SMA beträgt 0,330 Liter und das der
zweiten Masse aus SMA 0,335 Liter für ein Gesamtvolumen der geschlossenen
Form von 0,648 Liter.
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Wenn
man die Form schließt,
fließt
die SMA-Masse zentrifugal und spannt das Verstärkungsblatt, das daher in Stellung
bleibt und sich nicht fältelt.
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Das
erzielte Stück
weist eine Erscheinungsbildseite und eine Seite mit glattem Anfühlen auf.
Das Verstärkungsblatt
und die Glasfasern sind auf dieser Seite nicht sichtbar.
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3. Beispiel
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Erfindungsgemäß stellt
man einen Balken zu 130 cm Länge
und 2,5 kg Gewicht her, der dazu bestimmt ist, den Schutzschirm
eines Fahrzeugstoßfängers zu
verstärken.
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Die
Maße im
Querschnitt des Balkens sind in 1 in mm
angegeben.
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Der
Querschnitt dieses Balkens 1 hat die Form einer Abfolge
von zwei Nischen 2, 3 mit unterschiedlichen Größen, wie
in 1 dargestellt.
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Um
einen solchen Balken herzustellen, verwendet man Polypropylen mit
20 Glasfasern und ein Blatt aus Mischgewebe bestehend aus Glasfasern und
Polypropylenfasern in einem Verhältnis
von 40% Glas und 60% Polypropylen.
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Man
verwendet eine Form, deren unterer Teil 4 im Querschnitt
in 2 und in Seitenansicht in 3 dargestellt
ist.
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Man
stellt fest, dass der Balken so gebogen ist, dass er der Krümmung des
Stoßfängers, in
dem er untergebracht werden soll, folgen kann.
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Man
kann bemerken, dass diese Krümmung, die
bei der Umsetzung der Erfindung kein besonderes Problem aufwirft,
die Wiederverwendung eines solchen Balkens durch Extrusion oder
sein Verstärken
durch ein Metallprofil, das in der Tat im Allgemeinen geradlinig
ist, heikel ja sogar unmöglich
machen würde.
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Auf
dem unteren Stück
der offenen Form bringt man zuerst 1,2 kg Polypropylen in Form eines Extrudats 5 in
einem Band zu 600 mm Länge
und 150 × 15
mm Querschnitt wie in 2 dargestellt auf.
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Danach
legt man das Gewebe auf dieses Extrudat, ohne es zu halten. Die
Maße dieses
Gewebeblatts sind derart, dass sich das Blatt beim Schließen der
Form gemäß dem Querschnitt
in Nischen der Balken verformt, wobei sich der Umfang des Blatts
in Bezug auf die Ränder
des Balkens nach hinten versetzt befindet und daher nicht über die
Ränder
der Form steht.
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Über das
Gewebeblatt legt man wieder ein Extrudat 7 zu 1,2 kg Polypropylen,
das die gleichen Maße
wie zuvor aufweist.
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Man
lässt die
Stapelung während
etwa 10 Sekunden in diesem Zustand, um das Gewebeblatt zu erwärmen und
sein Verformen zu erleichtern.
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Danach
schließt
man die Form, was das Fließen
der Polypropylenmasse zentrifugal bewirkt, das heißt, dass
das Gewebeblatt von dem thermoplastischen Material in alle Richtungen
mitgenommen wird, woraus sich eine globale Verschiebung praktisch
gleich Null dieses Blatts ergibt.
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Der
erzielte Balken weist eine hervorragende Starrheit auf, und das
Verstärkungsblatt
ist komplett in die Polypropylenmasse eingehüllt, ohne an irgendeiner Stelle
der Oberfläche
des Balkens auszutreten oder sich unzeitig zu fälteln.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Formen mit einer im Wesentlichen
horizontalen Formteilfläche
beschrieben, die ein einfaches Umsetzen erlauben, es ist aber klar,
dass man erfindungsgemäß auch Formen
verwenden kann, deren Formteilfläche
nicht horizontal ist, vorausgesetzt, dass man bekannte Mittel vorsieht,
um die Verstärkungsblätter zu
halten, wobei das eingespritzte thermoplastische Material ausreichend
viskös
ist, um sich vor dem Schließen
der Form nicht wesentlich zu verschieben.