DE102006038930A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei ein metallischer Rohrkörper (6) in ein mit einer Kavität (5) versehenes Werkzeug (1) eingebracht wird und dieses durchragt. Nach Schließen und Abdichten des Werkzeugs (1) wird der Rohrkörper (6) unter einem inneren Druck stehend mit einem Kunststoff (13) unter Ausfühlung der Kavität (5) mittels eines Spritzgießverfahrens umspritzt. Um die Herstellung eines Verbundbauteils ohne Einbußen an Steifigkeit des angespritzten Kunststoffs (13) und ohne Deformationen des umspritzten Rohrkörpers (6) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass vor oder mit Umspritzen ein Gas (12) in den Rohrkörper (6) eingeleitet und mit einem Stützdruck gespannt wird, der dem Gießdruck derart entgegenwirkt, dass der Rohrkörper (6) verformungsfrei bleibt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 100 14 332 C2 bekannt. Beim dort beschriebenen Verfahren wird ein Hohlprofilgrundkörper in eine modifizierte Spritzgießmaschine eingebracht, wonach der Grundkörper mit einer Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser gefüllt und unter Druck gesetzt wird. Dies geschieht beim noch offenen Werkzeug. Danach wird das Werkzeug geschlossen, wobei die Enden des Grundkörpers nachgeführt werden. Auf diese Weise entsteht die Fertigform des Hohlprofilgrundkörpers. Anschließend wird Kunststoff in im Spritzgusswerkzeug ausgebildete Kavitäten, die vom Grundkörper durchragt werden, eingespritzt. Der metallische Grundkörper wird dabei lokal vom Kunststoff ummantelt. Während der Anspritzphase kann der Grundkörper mit flüssigem Medium gefüllt sein und wird von innen gemäß dem Innenhochdruckumformverfahren unter Druck gesetzt. Hierdurch lässt sich der Grundkörper kalibrieren, was der Erhöhung seiner Passgenauigkeit im Formhohlraum dient. Des Weiteren können lokale Einbeulungen oder Verformungen sonstiger Art im Grundkörper auf Grund des Spritzgießdruckes vermieden werden. Wird zum Spritzgießen ein teilkristalliner Thermoplast verwandt, wie beispielsweise Polyamid, kristallisiert dieser Kunststoff in Kontakt mit der Druckflüssigkeit nicht in gewünschter Weise aus, was zu Einbußen in der Steifigkeit des ausgehärteten Kunststoffes am rohrförmigen Grundkörper führt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass die Herstellung eines Verbundbauteils ohne Einbußen an Steifigkeit des angespritzten Kunststoffs und ohne Deformationen des umspritzten Rohrkörpers ermöglicht wird.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
• Auf Grund der Verwendung eines Gases als Stützmedium, das in den Rohrkörper eingeleitet wird und mit einem Stützdruck gespannt wird, der dem Gießdruck derart entgegenwirkt, dass der Rohrkörper verformungsfrei bleibt, gelangt während des Spritzgießens keine Flüssigkeit wie Wasser oder auf Wasserbasis ausgebildete Emulsionen in Kontakt mit der Spritzgießschmelze, so dass der angespritzte Kunststoffwerkstoff chemisch und physikalisch unbeeinflusst bleibt. Dadurch treten keine Einbußen in der Steifigkeit des Kunststoffs auf und, da ein ausreichender Stützinnendruck gewährleistet ist, der verhindert, dass der Rohrkörper unter dem Spritzgießdruck kollabieren kann, werden daraus resultierende etwaige Deformationen am umspritzten Rohrkörper völlig verhindert.
• Das Gas kann beispielsweise Luft oder Stickstoff sein, jedenfalls ein Gas, das sich gegenüber dem angespritzten Kunststoffmaterial inert verhält. Durch die Verwendung eines Gases wird die Entsorgung des Stützmediums erleichtert, da dies nach erfolgtem Umspritzen in einfacher Weise durch Aufhebung der Abdichtungen ins Freie entweichen kann. Gas ist ein preiswertes Medium und nimmt im Gegensatz zu manchen Flüssigkeiten kein Spritzgussmaterial auf, wobei das in diesem Fall entstehende Gemisch in höchst aufwändiger Weise entsorgt und aufbereitet werden muss. In diesem Zusammenhang ist die Anordnung und Ausbildung des Spritzgießwerkzeuges wesentlich variabler, da eine Anordnung, wie sie zur Ableitung von Flüssigkeiten bisweilen bereitgestellt werden muss, bei der der Rohrkörper einer vertikale Lage einnimmt, nicht erforderlich ist. Da in der Spritzgießmaschine im Gegensatz zum Stand der Technik kein Innenhochdruckumformverfahren betrieben werden muss, kann diese in Folge der geringeren Zuhaltekräfte, die lediglich dem Druck des Spritzgusses in geschmolzenem Zustand entgegenwirken müssen, erheblich einfacher und mit geringerem Aufwand ausgelegt werden. Im Zuge dessen fällt auch die Gestaltung der Abdichtungen einfacher aus, da diese den bei der Innenhochdruckumformung üblichen Drücken nicht standhalten müssen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas mit einem Druck von dreißig bis fünfhundert Bar, vorzugsweise hundert bis zweihundert Bar gespannt. Diese Druckbereiche haben sich in vielfältigen Versuchen als besonders günstig für die deformationsfreie Abstützung des Rohrkörpers herauskristallisiert. Die Wahl des Druckes ist von der Art und Qualität des zur Ausbildung des Rohrkörpers verwandten Werkstoffes sowie von der Wandstärke des Rohrkörpers abhängig. So muss beispielsweise ein Rohrkörper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit einer Wandstärke von etwa 1,3 mm auf Grund seiner leichteren Verformbarkeit mit höherem Drücken abgestützt werden als beispielsweise ein Rohrkörper aus einem Stahlwerkstoff mit einer Wandstärke zwischen 0,7 und 1,0 mm.
• Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbundbauteil kann in der Kraftfahrzeugtechnik beispielsweise bei der Ausbildung eines Frontends Eingang finden. Die funktionellen Eigenschaften des Verbundbauteils sind separat auf seine Bestandteile aufgeteilt. Während der Rohrkörper allein dafür da ist, dem Verbundbauteil Biege- und Torsionssteifigkeit zu verleihen, werden durch den nur in geringem Maße steifen Kunststoff zum Teil filigrane Funktionselemente mit Konturen und Strukturen ausgebildet, die nicht vom Rohrkörper gestaltet werden können.
• Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzige Figur in einem seitlichen Längsschnitt ein in einer Spritzgießmaschine angeordnetes und nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil zeigt.
• In der Figur ist eine Spritzgießmaschine 1 skizzenhaft dargestellt, die in ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3 geteilt ist. Die in den einander zugewandten Stirnseiten des Oberwerkzeugs 2 und des Unterwerkzeugs 3 ausgebildeten Gravuren bilden eine Aufnahme 4, in die ein metallischer Rohrkörper 6 eingebracht ist. Die Aufnahme 4 erweitert sich etwa mittig der Spritzgießmaschine in eine Kavität 5, die der Rohrkörper 6 durchragt. In die Kavität 5 münden Kanäle 15, über die Spritzgießmaterial zugeführt werden kann. In der Trennfuge 14 zwischen dem Oberwerkzeug 2 und dem Unterwerkzeug 3 ist beiderseits der Spritzgießmaschine 1 eine zylindrische Ausnehmung 7 eingearbeitet, in welcher jeweils ein Schieber 8 eingelassen ist, der rückseitig bündig mit der dort verlaufenden Stirnseite der Spritzgießmaschine 1 abschließt. Der Schieber 8 weist in seiner der Kavität 5 zugewandten Stirnseite eine Abdichtmulde 9 auf, in der jeweils ein Rohrkörperende 10 gasdicht gehalten ist. Im Schieber 8 verläuft durchgängig ein zentraler Axialkanal 11, der in das offene Rohrkörperende 10 einerseits ausmündet und der andererseits an eine Gasversorgung angeschlossen ist.
• Zur Herstellung des Verbundbauteils wird zuerst der metallische Rohrkörper 6 in die Aufnahme 4 der noch offenen Spritzgießmaschine 1 eingelegt. Der Rohrkörper 6 kann vorher in einem separaten Werkzeug mittels Innenhochdruck in eine gewünschte Endform unter Erzielung exakter Konturen und Oberflächen umgeformt werden. Er kann auch alternativ oder zusätzlich einem Biegeverfahren unterzogen worden sein, so dass er mit gekrümmtem Verlauf in die Spritzgießmaschine 1 eingebracht wird. Alsdann wird die Spritzgießmaschine 1 geschlossen, indem sich das Oberwerkzeug 2 auf das Unterwerkzeug 3 absenkt und dabei den Rohrkörper 6 umfänglich einfasst. Danach werden die Schieber 8 in die jeweilige Ausnehmung 7 hineingeschoben, wobei die Rohrkörperenden 10 in die Abdichtmulden 9 eintauchen und an deren Grund anschlagen. Der Antrieb der Schieber 8, der hier nicht näher gezeigt ist, drückt den Schieber 8 so an das Rohrkörperende 10 an, dass dieses gasdicht in der Abdichtmulde aufgenommen ist. Durch die Schieber 8 wird der Rohrkörper 6 exakt axial in der Spritzgießmaschine 1 positioniert, abgedichtet und unverrückbar während des gesamten Herstellungsprozesses gehalten. Hiernach wird die Gasversorgung an die Kanäle 11 der Schieber 8 angeschlossen, wonach in den Rohrkörper 6 ein Gas 12 wie beispielsweise Stickstoff oder Luft eingeleitet wird. Durch das Einleiten des Gases 12 über beide Rohrkörperenden 10 wird der Rohrkörper 6 schneller mit Gas 12 befüllt. Anschließend oder währenddessen wird über Kanäle 15 Spritzgießmaterial, vorzugsweise Kunststoff 13, insbesondere Polyamid in die Kavität 5 eingeleitet. Der Kunststoff 13 füllt die Kavität 5 vollständig aus und ummantelt dabei den Rohrkörper 6 am Orte der Kavität 5. Mit Umspritzen des Rohrkörpers 6 wird das in ihm befindliche Gas 12 unter Druck gesetzt. Dieser Stützdruck kann praktisch von Anfang an auf einem voreingestellten Maximalniveau liegen. Es ist jedoch auch denkbar, den inneren Stützdruck im Rohrkörper 6 so zu steuern, dass er entsprechend der Zu- und Abnahme des Spritzgießdruckes im Laufe des Umspritzens des Rohrkörpers 6 variiert wird. Dies hat den Vorteil gerade bei dünnwandigen Rohrkörpern 6, dass bei vergleichsweise geringem Spritzgießdruck ein übermäßiger Stützdruck den Rohrkörper 6 zu unerwünschten Ausformungen zwingt und dabei bereits ausgehärteten Kunststoff 13 ebenfalls in unerwünschter Weise verformt oder gar in ihm Brüche oder Risse erzeugt. Die alternative Aufbringung eines konstanten Maximalwertes hinsichtlich des inneren Stützdruckes ist dagegen steuerungstechnisch mit sehr geringem Aufwand verbunden. Es ist auch denkbar, bereits vor Einleiten beziehungsweise Einspritzen des Kunststoffes 13 das Gas 12 in den Rohrkörper 6 einzuleiten und ihn unter einen Stützdruck zu setzen. Der Stützdruck beläuft sich auf hundertfünfzig bis zweihundert Bar und ist geringer gehalten als der Spritzgießdruck, da der Rohrkörper 6 bereits von seiner Festigkeit und Steifigkeit nur dem Spritzgießdruck einen gewissen Widerstand entgegensetzt. Dies umso mehr je größer die Wandstärke des Rohrkörpers 6 ist. Nachdem der Kunststoff 13 vollständig erstarrt ist, wird der innere Stützdruck entspannt und das Gas 12 aus dem Rohrkörper 6 abgeführt. Die Schieber 8 werden nun zurückgezogen, so dass die Rohrkörperenden 10 freiliegen. Abschließend wird die Spritzgießmaschine 1 geöffnet und das fertig ausgebildete Verbundbauteil aus Rohrkörper 6 und dem durch die Form der Kavität 5 entsprechend geformte und konturierte Kunststoff 13 aus der Aufnahme 4 entnommen. Die Schieberichtungen der Schieber 8 ist in der Figur mittels der Doppelpfeile kenntlich gemacht, während die Zuleitung des Gases 12 in den Rohrkörper 6 durch Einfachpfeile gekennzeichnet ist.
• An dieser Stelle ist noch auf den Vorteil der Verwendung eines Gases 12 als Stützmedium hinzuweisen, der darin begründet ist, dass Gas 12 nicht das Anspritzen des Kunststoffes 13 an den Rohrkörper 6 behindert, wie es im Gegensatz dazu Wasser als Stützmedium tun würde, welches unter die Spritzgießmasse kriechen kann und dabei eine Trennhaut zwischen Rohrkörper 6 und der Spritzgießmasse bildet. Dies führt zu einem unvollständigen Anguss des Kunststoffes 13 am Rohrkörper 6 und damit zu einem unzureichenden Halt am Rohrkörper 6, der den Träger für den Kunststoff 13 bildet.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei ein metallischer Rohrkörper in ein mit einer Kavität versehenes Werkzeug eingebracht wird und diese durchragt, wobei nach Schließen und Abdichten des Werkzeugs der Rohrkörper unter einem inneren Druck stehend mit einem Kunststoff unter Ausfüllung der Kavität mittels eines Spritzgießverfahrens umspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder mit dem Umspritzen ein Gas (12) in den Rohrkörper (6) eingeleitet und mit einem Stützdruck gespannt wird, der dem Gießdruck derart entgegenwirkt, dass der Rohrkörper (6) verformungsfrei bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (12) mit einem Druck von 30–500 bar, vorzugsweise 100–200 bar gespannt wird.