DE102016005954A1

DE102016005954A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen Schaumgussbauteils mit wenigstens einer Sollbruchstelle

Info

Publication number: DE102016005954A1
Application number: DE102016005954.0A
Authority: DE
Inventors: Lars Merkert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-14
Also published as: DE102016005954B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Schaumgussbauteils (100), das wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle (115) aufweist. Die Kavität (230) des verwendeten Werkzeugs (200) weist im Bereich der Sollbruchstelle einen die Dünnstelle (115) ausbildenden Schieber (240) auf, der während des Schaumvorgangs von einer ersten Stellung innerhalb der Kavität (230) in eine zweite Stellung innerhalb der Kavität (230) zurückgefahren (Z) wird, wodurch sich dann auch im Bereich der Dünnstelle (115) Schaumblasen ausbilden können. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens sowie ein erfindungsgemäß hergestelltes thermoplastisches Schaumgussbauteil (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen Schaumgussbauteils, d. h. eines aus thermoplastischem Kunststoffschaummaterial gebildeten Bauteils, das wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein mit dem Verfahren und/oder der Vorrichtung hergestelltes thermoplastisches Schaumgussbauteil, das wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle aufweist.
Der Thermoplast-Schaumguss (TSG) ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die gängigen TSG-Verfahren sind dem normalen Spritzgießen prinzipiell sehr ähnlich. Durch Zugabe von Treibmitteln kommt es in der Werkzeugkavität zu einer Expansion des eingespritzten Thermoplasts, wodurch ein Bauteil (Spritzgussteil) mit Schaumstruktur entsteht. Zum Stand der Technik wird bspw. auf die EP 0 555 392 B1 hingewiesen.
Eine als Sollbruchstelle dienende Dünnstelle bzw. Ausdünnung in einem mittels TSG-Verfahren hergestellten TSG-Bauteil, im folgenden als thermoplastisches Schaumgussbauteil bezeichnet, kann durch entsprechende Ausgestaltung der Werkzeugkavität erzeugt werden. An der zu erzeugenden Dünnstelle kann das Treibmittel allerdings nicht oder nur eingeschränkt expandieren, wodurch eine blasenfreie Zone entsteht, in der das thermoplastische Material eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, was der gewünschten Sollbruchfunktion an dieser Stelle entgegensteht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 und durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend dem nebengeordneten Patentanspruch. Mit einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäß hergestelltes thermoplastisches Schaumgussbauteil. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Werkzeug (Spritzgießwerkzeug) bzw. dessen Kavität im Bereich der herzustellenden Sollbruchstelle einen die Dünnstelle ausbildenden Schieber aufweist, der zunächst in die Kavität eingefahren ist und dann während des Schaumvorgangs (d. h. nach dem Einspritzen des Thermoplasts) von einer ersten Stellung innerhalb der Kavität in eine zweite Stellung innerhalb der Kavität zurückgefahren wird, wodurch sich dann auch im Bereich der Dünnstelle Schaumblasen im Kunststoffmaterial bzw. Bauteil ausbilden können. Im Ergebnis erhält man ein thermoplastisches Schaumgussbauteil mit einer nahezu homogenen Blasenverteilung.
Der Schieber wird also während der Aufschäumphase um eine geringe definierte Weglänge zurückgefahren bzw. zurückbewegt, ohne dabei ganz aus der Kavität herausgefahren zu werden. Bevorzugt beträgt die definierte Weglänge, um die der Schieber zurückgefahren wird, nur 1 mm bis 2 mm.
Der Schieber soll idealerweise erst dann zurückgefahren werden, wenn der Schäumvorgang beginnt, d. h. wenn sich die Blasen bzw. Schaumblasen ausbilden. Der Beginn des Schaumvorgangs kann bspw. mittels Sensor erfasst werden, woraufhin dann die Schieberverfahrbewegung eingeleitet werden kann. Bevorzugt wird das Zurückfahren des Schiebers jedoch zeitlich gesteuert, d. h., es wird nach dem Einspritzen des Thermoplasts eine bestimmte Zeit abgewartet, bis der Schieber automatisch zurückgefahren wird.
Das verwendete thermoplastische Kunststoffmaterial, bspw. Polypropylen (PP), wird bevorzugt chemisch, d. h. durch Zugabe eines chemischen Treibmittels (bspw. ADC, OBSH, TSH oder BSH), und/oder physikalisch, d. h. durch Zugabe eines physikalischen Treibmittels (z. B. ein Gas, bspw. Stickstoff), geschäumt.
Dem verwendeten thermoplastischen Kunststoffmaterial können Verstärkungsfasern, bspw. Kohlenstoff- oder Glasfasern beigemischt sein. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Kurzfasern. Der Faservolumenanteil beträgt bevorzugt 10% bis 40% und insbesondere 20% bis 30%.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen Schaumgussbauteils, welches wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle aufweisen soll, umfasst:

– ein Werkzeug, das wenigstens eine die Bauteilform vorgebende Kavität aufweist, wobei es sich insbesondere um ein Spritzgießwerkzeug handelt, das bspw. in einer Spritzgießmaschine bzw. -anlage oder dergleichen eingebaut ist;
– wenigstens einen im Werkzeug angeordneten verfahrbaren Schieber zur Erzeugung bzw. Ausbildung der Dünnstelle, wobei der Schieber bevorzugt auch einen Antrieb für die Bewerkstelligung der Verfahrbewegungen aufweist;
– eine Steuereinrichtung, bspw. einen Computer mit einem geeigneten Steuerprogramm, die den Schieber bzw. dessen Antrieb bei der Herstellung des Bauteils so ansteuert, dass dieser während des Schaumvorgangs von einer ersten Stellung innerhalb der Kavität in eine zweite Stellung innerhalb der Kavität zurückgefahren wird und sich dadurch auch im Bereich der Dünnstelle Schaumblasen im Kunststoffmaterial bzw. im herzustellenden Schaumgussbauteil ausbilden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also so beschaffen, dass damit das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert ausgeführt werden kann.
Bevorzugt ist der Stempel zur Erzeugung einer linienförmigen Einprägung, die eine als Sollbruchstelle fungierende linienförmige Dünnstelle bildet, beschaffen. Ferner kann das Werkzeug wenigstens einen Schieber aufweisen, der zur Erzeugung einer linienförmigen Einprägung mit einer umlaufend geschlossenen Kontur, bspw. einer im Wesentlichen rechteckigen Kontur, ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße thermoplastische Schaumgussbauteil hat wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle und ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt. Dadurch weist dieses thermoplastische Schaumgussbauteil eine im Wesentlichen homogene Blasenverteilung im Kunststoffmaterial bzw. Bauteil auf, einschließlich der wenigstens einen als Sollbruchstelle dienenden, insbesondere linienförmigen bzw. -artigen, Dünnstelle.
Aufgrund der während des Schaumvorgangs an der Dünnstelle stattfindenden lokalen Expansion (durch Zurückziehen des die Dünnstelle ausformenden Schiebers) können die Blasen bzw. Schaumblasen im Bereich der Dünnstelle im Mittel sogar etwas größer sein, bspw. um 10% bis 30%, als die Schaumblasen im übrigen Bauteil, was die Funktion als Sollbruchstelle begünstigt.
Bei dem erfindungsgemäßen thermoplastischen Schaumgussbauteil handelt es sich bspw. um einen, insbesondere einstückig hergestellten, Airbagträger für ein Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden. In der Zeichnung zeigt
1 die Unterseite eines Airbagträgers für ein Kraftfahrzeug; und
2 einen Ausschnitt des Werkzeugs zur Herstellung des Airbagträgers aus 1.
1 zeigt einen einstückigen, aus thermoplastischem Kunststoffschaummaterial gebildeten Airbagträger 100 für ein Kraftfahrzeug, der unter oder im Armaturenbrett verbaut wird. Bei dem Airbagträger 100 handelt es sich um ein flächiges Bauteil, das bezüglich seiner Oberfläche eine vergleichsweise geringe Bauteildicke aufweist. Gezeigt ist die Unterseite. Rechts befindet sich die Fahrerseite, links die Beifahrerseite. Das Beifahrerairbagmodul ist im Bereich 105 am Airbagträger 100 befestigt. Damit der Beifahrerairbag bei Zündung nach oben durch den Airbagträger 100 hindurch aufgeblasen werden kann, weist der Bereich 105 einen einstückig mit dem Airbagträger 100 ausgebildeten Deckel 120 auf, der durch eine umlaufende Einprägung 110 definiert ist. Die umlaufende Einprägung 110 bildet um den Deckel 120 herum angeordnete linienförmige Dünnstellen 115 (siehe auch 2), in denen die Bauteildicke lokal reduziert ist und die als Sollbruchstellen fungieren, so dass der Deckel 120 beim Zünden des Airbags weggesprengt werden kann. Die Einprägung 110 hat eine geschlossene bzw. durchgängige Kontur, die lediglich beispielhaft näherungsweise rechteckig ist. Die Einprägung 110 kann auch nicht durchgängig, d. h. unterbrochen bzw. mit Unterbrechungen ausgebildet sein. Ferner kann die Einprägung 110 nur drei Seiten des Deckels 120 umranden, wobei die vierte Seite dann als Deckelscharnier fungiert.
Der Airbagträger 100 ist einschließlich der Einprägung 110 urformend hergestellt. Nachfolgend wird anhand der 2 die Herstellung des Airbagträgers 100 erläutert, wobei nur auf den für die Erfindung relevanten Deckelbereich eingegangen wird.
2 veranschaulicht in einer schematischen Schnittansicht die Herstellung des Airbagträgers 100 mittels Spritzgießwerkzeug, wobei nur ein Ausschnitt im Bereich 105 des Deckels 120 gemäß dem in 1 gekennzeichneten Schnittverlauf (A-A) gezeigt ist. Das Werkzeug 200 weist eine zwischen einem ersten Werkzeugteil 210 und einem zweiten Werkzeugteil 220 ausgebildete Kavität 230 auf. An der gezeigten Stelle hat die Kavität 230 eine Höhe von bspw. 2,5 mm bis 3,5 mm, was der späteren Bauteildicke des herzustellenden Airbagträgers 100 in diesem Bereich entspricht (generell kann der Airbagträger 100 mit unterschiedlichen Bauteil- bzw. Wanddicken ausgebildet sein). Das erste Werkzeugteil 210 weist einen entsprechend der Kontur der Einprägung 110 ausgebildeten Schieber 240 auf, dessen umlaufende keilförmige Stirnseite in die Kavität 230 hineinragt. Anstatt eines einzelnen Schiebers 240 können auch mehrere Schieber oder Schieberelemente vorgesehen sein.
Nach dem Schließen des Werkzeugs 200 durch Zusammenfahren der Werkzeugteile 210 und 220 wird eine mit Treibmittel versehene thermoplastische Kunststoffmasse K in die Kavität 230 eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schieber 240 in die Kavität 230 eingefahren und befindet sich in seiner ersten vorderen Stellung, wie mit Strichlinien veranschaulicht, so dass die eingespritzte Kunststoffmasse K um den Schieber 240 bzw. dessen keilförmige Stirnseite herumfließt und an den entsprechenden Stellen die spätere Einprägung 110 vorgeformt wird bzw. die entsprechenden Dünnstellen 115 vorgeformt werden.
Während des Aufschäumens, d. h. während der sich an das Einspritzen anschließenden Aufschäumphase, wird der Schieber 240 ein wenig, bspw. um 1 bis 2 mm, zurückgefahren, wie mit den Pfeilen Z veranschaulicht, und nimmt dann die gezeigte zweite hintere Stellung ein, in der dessen Stirnseite aber noch immer in die Kavität 230 hineinragt und dadurch die Einprägung 110 bzw. die Dünnstellen 115 fertig ausformt. Durch das Zurückfahren bzw. Zurückbewegen Z des Schiebers 240 wird der Abstand zwischen der Schieberstirnseite und der gegenüberliegenden Kavitätswandung des zweiten Werkzeugteils 220 vergrößert. Somit wird auch an den Dünnstellen 115 während der Aufschäumphase eine lokale Volumenvergrößerung ermöglicht, was dazu führt, dass sich an diesen Dünnstellen 115 Schaumblasen in der Kunststoffmasse bzw. dem Kunststoffmaterial K ausbilden können.
Nach dem Abkühlen wird das Werkzeug 200 durch Auseinanderfahren der Werkzeugteile 210 und 220 geöffnet und das thermoplastische Schaumgussbauteil bzw. der im Wesentliche verbaufertige Airbagträger 100 kann entnommen werden. Der Schieber 240 kann hierbei auch als Auswerfer fungieren. Der Airbagträger 100 weist eine nahezu homogene Blasenverteilung im Kunststoffmaterial K auf, auch in den durch die Einprägung 110 gebildeten Dünnstellen 115.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0555392 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Schaumgussbauteils (100), das wenigstens eine Sollbruchstelle in Gestalt einer Dünnstelle (115) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (230) des verwendeten Werkzeugs (200) im Bereich der Sollbruchstelle einen die Dünnstelle (115) ausbildenden Schieber (240) aufweist, der während des Schaumvorgangs von einer ersten Stellung innerhalb der Kavität (230) in eine zweite Stellung innerhalb der Kavität (230) zurückgefahren (Z) wird, wodurch sich dann auch im Bereich der Dünnstelle (115) Schaumblasen ausbilden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (240) um 1 mm bis 2 mm zurückgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückfahren (Z) des Schiebers (240) zeitlich gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete thermoplastische Kunststoffmaterial (K) chemisch und/oder physikalisch geschäumt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermoplastischen Kunststoffmaterial (K) Verstärkungsfasern beigemischt sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: – ein Werkzeug (200), das eine Kavität (230) aufweist; – wenigstens einen im Werkzeug (200) angeordneten verfahrbaren Schieber (240) zur Erzeugung der Dünnstelle (115); und – eine Steuereinrichtung, die den Schieber (240) so ansteuert, dass dieser während des Schaumvorgangs von einer ersten Stellung innerhalb der Kavität (230) in eine zweite Stellung innerhalb der Kavität (230) zurückgefahren (Z) wird und sich dadurch auch im Bereich dieser Dünnstelle (115) Schaumblasen ausbilden können.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (200) wenigstens einen Schieber (240) aufweist, der zur Erzeugung einer linienförmigen Einprägung (110) mit umlaufend geschlossener Kontur ausgebildet ist.
Thermoplastisches Schaumgussbauteil (100), das mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine die Dünnstelle (115) einschließende homogene Blasenverteilung aufweist.
Thermoplastisches Schaumgussbauteil (100) nach Anspruch 8, wobei es sich um einen Airbagträger für ein Kraftfahrzeug handelt.