DE10009343B4

DE10009343B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles

Info

Publication number: DE10009343B4
Application number: DE2000109343
Authority: DE
Inventors: Martin Westerbecke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: DE10009343A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles, bei dem
(a) in eine Kavität (Formhohlraum) ein flächiges oder vorher tiefgezogenes Substrat eingebracht wird,
(b) in den Formhohlraum eine Schmelze eines Kunststoffes eingebracht wird, wobei
(c) die Schmelze zunächst in einen dem Volumen des Formhohlraumes entsprechenden Depotraum eingebracht wird, der über mindestens einen Übergang mit dem Formhohlraum verbunden ist, und
(d) die Schmelze aus dem Depotraum nahezu drucklos in den Formhohlraum überführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles die im Kraftfahrzeugbau mit verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Formgebungsverfahren für thermoplastisch verarbeitbare Kunststoffe bekannt. Zunächst erfolgt im Allgemeinen eine Aufbereitung der Formmassen, beispielsweise mit Hilfe einer Granuliervorrichtung. Das Granulat kann anschließend in einem Extruder aufgeschmolzen werden und in eine Kavität (Formhohlraum) eines Werkzeuges eingespritzt werden (Spritzgießverfahren). Der sich aufbauende Druck beträgt dabei bis zu mehreren hundert Bar und wird bis zur Erstarrung der Schmelze beziehungsweise bis zum Versiegeln eines Angusspunktes im Werkzeug aufrecht erhalten. Der so erzeugte Spritzling wird dem anschließend geöffneten Werkzeug entnommen beziehungsweise mit Auswerferstiften oder -platten ausgestoßen. Üblicherweise wird das Werkzeug in einer Schließeinheit aufgespannt und gegen die durch einen Werkzeuginnendruck erzeugte Kraft mechanisch oder hydraulisch zugehalten (Zuhaltekräfte). Das Spritzgießverfahren bei sehr hohen Drücken erfordert jedoch erhebliche konstruktive Maßnahmen, insbesondere wenn qualitativ hochwertige oberflächenstrukturierte Kunststoff-Formteile gefertigt werden sollen.
Zur Reduzierung eines Prozessdruckes sind Lösungen bekannt, nach denen die Schmelze vor dem eigentlichen Spritzen in einen Depotraum eingebracht und von diesem Depotraum in den Formhohlraum überführt wird. Der Depotraum und der Formhohlraum sind dazu über mindestens einen Übergang miteinander verbunden. Die Schmelze wird anschließend aus dem Depotraum nahezu drucklos mit Hilfe einer geeigneten Mechanik überführt.
Im Kraftfahrzeugbau bestehen besondere Anfordernisse an die verwendeten Kunststoff-Formteile. So sind insbesondere die Ausstattungsbauteile für einen Innenraum und eine Karosserie des Kraftfahrzeuges häufig mit einem flächigen Substrat verkleidet. Das flächige Substrat besteht dabei aus Textilien, Leder, Lacken oder Folien. Die beiden Komponenten, nämlich Substrat und Kunststoff, müssen dauerhaft miteinander verbunden werden. Dazu sind Fügeverfahren bekannt, wie beispielsweise eine Hinter-Spritz-Technik (HST) oder eine Zwischenschicht-Spritz-Technik (ZST). Das flächige Substrat wird in den Formhohlraum des Werkzeuges eingelegt und im Falle der Hinter-Spritz-Technik einseitig mit der Schmelze beschichtet oder bei der Zwischenschicht-Spritz-Technik zwischen zwei Substratschichten gepresst. Aufgrund der hohen Drücke während des Spritzvorganges kann es jedoch zu einer Beschädigung des flächigen Substrates kommen. So werden aufgrund der steigenden Designanforderungen an Material und Formkomplexität Folien mit Dicken von unter 2 mm mit dem bekannten Verfahren beschädigt und Textilien werden für den plastifizierten Kunststoff durchlässig.
DE 41 13 148 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von laminierten Kunststoffformteilen, die aus einer Grundschicht aus thermoplastischen Kunststoffmaterial und mindestens einer Deckschicht bestehen. Die nachveröffentlichte EP 1 124 675 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen nach Art des Spritzprägens unter Verwendung eines mit der Form kommunizierenden Depotraums zur Zwischenspeicherung der Formmassenschmelze.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Herstellung von Kunststoff-Formteilen, die von einem flächigen Substrat bedeckt sind, verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren und die Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles mit den in den Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass gemäß dem Verfahren

(a) in eine Kavität (Formhohlraum) ein flächiges oder durch Tiefziehen vorgeformtes Substrat eingebracht wird,
(b) in den Formhohlraum eine Schmelze eines Kunststoffes eingebracht wird, wobei
(c) die Schmelze zunächst in einen dem Volumen des Formhohlraumes entsprechenden Depotraum eingebracht wird, der über mindestens einen Übergang mit dem Formhohlraum verbunden ist, und
(d) die Schmelze aus dem Depotraum nahezu drucklos in den Formhohlraum überführt wird,

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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Überführung der Schmelze vom Depotraum in den Formhohlraum dadurch, dass der Depotraum gleichzeitig als ein Innenraum eines Zylinders ausgebildet ist. Durch eine translatorische Bewegung eines Zylinderkolbens wird während der Überführung der Depotraum kontinuierlich verkleinert.
Die Vorrichtung umfasst Mittel, mit denen die vorgenannten Verfahrensschritte durchführbar sind. So wird beispielsweise durch die konstruktive Ausgestaltung des Depotraumes als Innenraum eines Zylinders eine besonders vorteilhafte, drucklose Prozessführung ermöglicht. Die Geometrie eines Zylinderkolbenkopfes kann so genutzt werden, dass Verrippungen, Clipse, Stege und so weiter über den Kolben in das Bauteil eingebracht werden können. So können komplexe Werkzeuggeometrien vermieden werden. Der Zylinderkolbenkopf ist je nach Anforderung austauschbar.
Das Verfahren findet bevorzugterweise Verwendung zum Hinterspritzen von flächigen Substraten aus Textilien, Leder und/oder Folien, insbesondere coextrudierten lackähnlichen Folien. Die Erfindung beinhaltet die Nutzung des Niederdruck-Spritzgießens auf Hinter-Spritz-Techniken, wie Stoffe, Leder und andere Textilien, bei Innenverkleidungsbauteilen im Transportsektor, wie Auto, Bahn, Flugzeug, und für Außenhautanwendungen, wie Bodypanels und/oder Anbauteile, Stoßfänger, Zierleisten und so weiter für Motorrad, Automobil, LKW und andere.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die in einer Prinzipdarstellung eine Vorrichtung 10 zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles nach einem Spritzgießverfahren zeigt, näher erläutert.
Zunächst wird ein Extruder 12 mit einem granulierten Kunststoff beschickt. Der Kunststoff wird im Extruder 12 aufgeschmolzen durch eine Extruderdüse 14 durch das Zurückziehen eines Zylinderkolbens 38 in einen hier nicht dargestellten Schneckenvorraum des Extruders 12 und über einen Heißkanal 16 in einen Depotraum 18 eingebracht. Der Depotraum 18 mündet in einer Kavität (Formhohlraum 20) eines Werkzeuges 22. Der Übergang zwischen Depotraum 18 und dem Formhohlraum 20 kann wahlweise durch ein reversierbar gelagertes Sperrelement 24 geöffnet oder geschlossen werden.
Das Werkzeug 22 besteht zumindest aus einer ersten Formplatte 26 und einer zweiten Formplatte 28. Zwischen die beiden Formplatten 26, 28 wird ein von der Schmelze zu hinterfütterndes, flächiges Substrat 30 gespannt. Das Substrat 30 besteht beispielsweise aus Textilien, Leder oder coextrudierten lackähnlichen Folien beziehungsweise Lackfolien. Selbstverständlich sind die Geometrien des Formhohlraumes 20 und die Bereiche, in denen das flächige Substrat 30 das herzustellende Kunststoff-Formteil bedeckt, variabel den jeweiligen Erfordernissen anpassbar. Auf eine Darstellung der Mittel, die die notwendigen Zuhaltekräfte im Bereich des Werkzeuges 22 aufbringen, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Aus eben gleichem Grunde wurde auf die Darstellung zusätzlicher Heiz- und Kühlsysteme, mit denen der Verfahrensablauf in bekannter Weise beeinflusst werden kann, verzichtet.
Der Depotraum 18 ist gleichzeitig als Innenraum eines Zylinders 32 ausgebildet. Eine kavitätsseitige erste Stirnfläche 34 des Zylinders 32 bildet im geschlossenen Zustand das Sperrelement 24. Eine zweite Stirnfläche 36 wird durch eine Oberfläche eines axial verlagerbaren Kolbens 38 des Zylinders 32 geformt. Eine Zylinderkolbenkopfseite 40 bildet in ihrem Querschnitt die Formteilgebung in der Kavität ab. Zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles kann wie folgt vorgegangen werden:
Zunächst wird eine den Kunststoffteil bildende Formmasse im Extruder 12 aufgeschmolzen und das flächige Substrat 30 in dem Formhohlraum 20 in der gewünschten Position platziert. Durch die Extruderdüse 14 und den Heißkanal 16 gelangt die Schmelze während einer Dosierphase in den Depotraum 18, dessen untere Stirnfläche 34 durch das Sperrelement 24 verschlossen sein kann. Infolge des steigenden Innendruckes im Depotraum 18 fährt der Kolben 38 aus und vergrößert den Depotraum 18 kontinuierlich und fördert die Schmelze in den Depotraum 18. Ein maximaler Hub kann durch einen hier nicht dargestellten Anschlag für eine äußere Totpunktstellung des Kolbens 38 vorgegeben werden. Ein Volumen des Depotraumes 18 erreicht zu diesem Zeitpunkt einen maximalen Wert und ist derart ausgelegt, dass es mit dem Volumen des Formhohlraumes 20 unter Berücksichtigung der Materialparameter (zum Beispiel Schwindungsaufmaß) übereinstimmt.
Nach dem Erreichen der äußeren Totpunktstellung des Kolbens 38 ist die Dosierphase beendet. Die Einbringung der Schmelze in den Depotraum 18 wird nun unterbrochen, beispielsweise indem ein Ventil – in der Kunststoffverarbeitung oft auch als Rückstromsperre bezeichnet – im Bereich der Extruderdüse 14 geschlossen wird. Das Sperrelement 24 wird entfernt und dadurch der Übergang geöffnet. Der Kolben 38 gleitet in den Zylinder 32, bis er eine innere Totpunktstellung durch einen hier nicht dargestellten zweiten Anschlag erreicht. Damit einhergehend wird die Schmelze in den Formhohlraum 20 überführt (Spritzphase). Da der Druck während der Überführung der Schmelze mit Hilfe des Kolbens 38 wesentlich geringer ist als der Druck der Schmelze während der Einbringung durch die Extruderdüse 14 in den Depotraum 18, kann eine druckbedingte Beschädigung des Substrates 30 vermieden werden.
Nach dem Erreichen der inneren Totpunktstellung des Kolbens 38 wird der Übergang zwischen dem Depotraum 18 und dem Formhohlraum 20 durch das Sperrelement 24 wieder verschlossen und der Depotraum 18 wird durch das Zurückfahren des Zylinderkolbens 38 erneut mit der Schmelze für den nächsten Zyklus gefüllt. Nach dem Auskühlen des Kunststoff-Formteiles kann dieses in bekannter Weise ausgestoßen und eventuell nachbearbeitet werden, so dass der Formhohlraum 20 für eine Wiederholung vorgenannter Verfahrensschritte zur Verfügung steht.
Selbstverständlich können bei komplexen Formhohlräumen auch mehrere Depoträume vorhanden sein – das heißt, die Schmelze kann an mehreren Stellen gleichzeitig in die Kavität überführt werden. Ein Gesamtvolumen der Depoträume stimmt dann jeweils mit dem Volumen des betreffenden Formhohlraumes überein.

10: Vorrichtung
12: Extruder
14: Extruderdüse
16: Heißkanal
18: Depotraum
20: Formhohlraum
22: Werkzeug
24: Sperrelement
26: Formplatte
28: Formplatte
30: Substrat
32: Zylinder
34: Stirnfläche (erste)
36: Stirnfläche (zweite)
38: Zylinderkolben
40: Zylinderkolbenkopfseite

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles, bei dem (a) in eine Kavität (Formhohlraum) ein flächiges oder vorher tiefgezogenes Substrat eingebracht wird, (b) in den Formhohlraum eine Schmelze eines Kunststoffes eingebracht wird, wobei (c) die Schmelze zunächst in einen dem Volumen des Formhohlraumes entsprechenden Depotraum eingebracht wird, der über mindestens einen Übergang mit dem Formhohlraum verbunden ist, und (d) die Schmelze aus dem Depotraum nahezu drucklos in den Formhohlraum überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Entfernen eines Sperrelementes (24) die Schmelze aus dem Depotraum (18) in den Formhohlraum (20) überführt wird, der Depotraum (18) als ein Innenraum eines Zylinders (32) ausgebildet ist und durch eine translatorische Bewegung eines Zylinderkolbens (38) der Depotraum (18) kontinuierlich verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Textilien, Leder oder einer Folie besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine coextrudierte lackähnliche Folie oder eine Lackfolie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff-Formteile Ausstattungsbauteile für einen Innenraum und/oder eine Karosserieaußenhaut eines Kraftfahrzeuges gefertigt werden.
Vorrichtung (10) zum Herstellen eines Kunststoff-Formteiles, umfassend (a) ein Werkzeug (22) mit einem Formhohlraum (20), der ausgebildet ist ein flächiges oder vorher tiefgezogenes Substrat aufzunehmen, (b) einem Depotraum (18) zur Aufnahme einer Schmelze eines Kunststoffs, der in den Formhohlraum (20) mündet, und (c) ein im Übergang zwischen Depotraum (18) und Formhohlraum (20) angeordnetes und beweglich gelagertes Sperrelement (24), mit dem der Übergang zwischen Depotraum (18) und Formhohlraum (20) wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann.