DE10014156A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet die Herstellung von Kunststoffteilen aus geschäumten thermoplastischen Elastomeren, bei der die Gasbeladung des schmelzflüssigen Kunststoffs während der Plastifizierung in einer Spritzgießmaschine stattfindet. Die Gasbeladung erfolgt entweder durch eine Direktbegasung oder durch die chemische Zersetzung eines Treibmittels unter Gasentwicklung. Dadurch liegt das Gas im thermoplastischen Elastomeren bereits in der Plastifiziereinheit bei hohem Druck gelöst vor. Diese gasbeladene Schmelze wird in den im Spritzgusswerkzeug vorgesehenen Hohlraum eingebracht. Während der weiteren Prozessführung bildet sich zunächst eine geschlossene Außenhaut aus. Bauteileigenschaften wie z. B. die Weichheit können gezielt über den Aufbau und die Struktur des Integralschaums eingestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dekorative Oberflächen im flächigen Sicht- und Haptikbereich, beispielsweise für eine Verwendung in Fahrzeuginnenräumen, werden vielfach in höherwertigen Ausführungen sehr kostenaufwendig in mehreren Verfahrensschritten hergestellt. Es werden solche Bauteile im Kfz-Interieur als Verkleidungsteile eingesetzt, derartige Bauteile können jedoch auch in vielen anderen Bereichen verwendet werden. Bekannte Herstellungsverfahren beruhen darauf, dass beispielsweise ein Trägerbauteil mit genarbter Schaumlaminatfolie überzogen wird, oder es wird zwischen eine genarbte Formhaut und dem Trägerbauteil ein Reaktionsschaum eingebracht. Bei der Mehrkomponenten-Spritzgießtechnik können dagegen werkzeugfallende, flächige Hart/Weich-Verbunde hergestellt werden, die sich dadurch auszeichnen, dass über dem Trägerbauteil ein Integralschaum aus einem thermoplastischen Elastomeren mit kompakter, genarbter Oberflächenhaut angeordnet ist.

In der Druckschrift DE 43 04 751 C2 wird ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils beschrieben, wobei im Spritzgießverfahren über ein steifes Trägerbauteil ein Integralschaum aus thermoplastischen Elastomeren aufgebracht wird. Hierzu wird das Trägerbauteil in einer Spritzgießform so angeordnet, dass auf der Seite der aufzubringenden geschäumten Kunststoffschicht ein Hohlraum in der Spritzgießform freibleibt. In den Hohlraum wird die geschmolzene Masse aus einem thermoplastischen Elastomeren und einem chemischen Treibmittel gespritzt. Die im Werkzeug thermisch aktivierte Zersetzung des Treibmittels verschäumt die Kunststoffmasse. Die dadurch hervorgerufene Volumenzunahme der Kunststoffmasse füllt den Hohlraum der Spritzgießform aus, wobei sich die geschäumte Kunststoffschicht mit dem Trägerbauteil verbindet. Während des Aufschäumens wird durch Auseinanderfahren der Werkzeughälften das dem Schaum zur Verfügung stehende Volumen vergrößert. Bereits in einem frühen Stadium der chemischen Zersetzung des Treibmittels stellt sich sich durch das Ausfüllen des zu Beginn des Aufschäumprozesses vorgegebenen Hohlraumes ein Kontakt mit der kalten Wandung des Werkzeugs ein. Durch die Abkühlung der gasbeladenen Kunststoffschmelze an der Werkzeugoberfläche wird dort der Aufschäumprozess unterbunden, und es bildet sich eine kompakte Haut an der Kunststoffteiloberfläche aus.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht in der äußerst komplexen Prozessführung, da die chemische Zersetzungsreaktion im Werkzeug hinsichtlich Start, Verlauf und Umsatz schwer kontrollierbar ist. Bei der Vielzahl der im technischen Herstellungsprozess verwendeten Kunststoffarten verursacht eine komplexe Prozessführung immer einen erhöhten Aufwand bei der Prozessentwicklung und führt dementsprechend zu höheren Kosten. Ganz abgesehen davon leidet besonders unter einem nicht exakt kontrollierbaren Umsatz bei der chemischen Zersetzungsreaktion des Treibmittels die Prozesssicherheit. Darüber hinaus können Verunreinigungen durch nicht reagierte Ausgangsprodukte bzw. Trägermaterialien oder Nebenreaktionsprodukte die Oberflächenqualität des Bauteils nachteilig beeinflussen oder zu verfrühter Materialalterung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem geschäumte Kunststoffteile kostengünstig und mit verbesserter Prozesssicherheit hergestellt werden können.

Die Erfindung wird in bezug auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung beinhaltet die Herstellung von geschäumten Kunststoffteilen, wobei die Gasbeladung der schmelzflüssigen thermoplastischen Elastomere nicht - wie im Stand der Technik beschrieben - erst im Werkzeug, sondern bereits zu einem früheren Zeitpunkt und auch außerhalb des Werkzeugs erfolgt. Die Gasbeladung findet während des Aufschmelzens des Kunststoffgranulats in der Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine und damit vor dem Einspritzvorgang in das Spritzgießwerkzeug statt. Es ist dabei unerheblich, ob die Gasbeladung auf der thermisch aktivierten Zersetzung eines gleichzeitig mit dem Kunststoffgranulat zugeführten Treibmittels mit Gasabspaltung basiert oder ob die Kunststoffschmelze direktbegast wird. Eine Direktbegasung geschieht beispielsweise mit flüssigem Kohlendioxid, das während der Plastifizierung definiert in Art, Ort und Menge in die Plastifiziereinheit der Spritzgussvorrichtung zugegeben wird. In beiden Fällen liegt demzufolge bereits in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine das Gas unter hohem Druck im thermoplastischen Elastomeren gelöst vor. Diese gasbeladene Schmelze wird in den im Spritzgusswerkzeug vorgesehenen Hohlraum, beispielsweise über einen steifen Träger, eingespritzt, wobei sich während der weiteren Prozessführung die Schaumstruktur ausbildet und ein Hart/Weich-Verbundbauteil entsteht.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen gleichzeitig im Werkzeug ablaufenden, komplexen chemischen Prozessen während der Schaumausbildung, resultiert aus dem erfindungsgemäßen Verfahren der besondere Vorteil, dass durch eine zeitliche und räumliche Entkopplung der Prozessschritte die Gasbeladung bereits in der Plastifiziereinheit und der Aufschäumvorgang im Werkzeug stattfindet. Damit werden zum einen die für den chemischen Umsatz der Gasbildung wichtigen physikalisch-chemischen Parameter wie Druck und Temperatur, beispielsweise im Schneckenvorraum einer Spritzgießvorrichtung, exakt eingestellt und damit sehr definierte und reproduzierbare Zustände bei der Gasbeladung der Schmelze gewährleistet. Zum anderen lassen sich die Bauteileigenschaften, insbesondere der Integralschaumaufbau mit der Oberflächenhautdicke und der Schaumdichte und damit direkt die Elastizität oder Weichheit des Bauteils allein über die physikalischen Prozessparameter im Werkzeug wie Druck, Temperatur und Volumenänderung infolge Druckentlastung gezielt einstellen. Im wesentlichen wird dabei die Dicke der kompakten Außenhaut durch die thermischen Verhältnisse im Kontakt mit der Werkzeuginnenwandung, der Start des Aufschäumens durch die Druckverhältnisse und die Schaumstruktur durch die Volumenvergrößerung des Hohlraumes im Werkzeug infolge der Auseinanderbewegung der Werkzeughälften bestimmt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung einer Spritzgießvorrichtung,

Fig. 2 Schematische Darstellung einer Spritzgießvorrichtung mit geschäumtem Kunststoffteil,

Fig. 3 Schematische Darstellung einer Spritzgießvorrichtung eines geschäumten Kunststoffteils mit einem starren Träger,

Fig. 4 Verbundstruktur eines Kunststoffteils mit Träger.

Ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt die Plastifiziereinheit 5 mit dem formgebenden zweiteiligen Spritzgießwerkzeug 2, 3. Die Plastifiziereinheit 5 besteht im wesentlichen aus einem heizbaren Zylinder mit einer Schnecke, welche die Kunststoffschmelze 6 in Richtung Spritzgießform transportiert und diese über einen Angusskanal unter hohem Druck in den Hohlraum 4 einbringt (Fig. 2). Dabei entsteht eine kompakte, nicht aufgeschäumte Randschicht, welche die Werkzeugnarbung abbildet.

Die Dicke dieser kompakten Randzone des Kunststoffteils 1 wird durch die thermischen Verhältnisse an der Spritzgussformoberfläche bestimmt. Bei identischen Haltezeiten und Druckverhältnissen nimmt die Dicke der an der gekühlten Werkzeugwandung erstarrenden, kompakten Randschicht mit sinkender Werkzeugtemperatur zu. Das Bauteil und insbesondere seine Oberfläche wird härter.

Der Start des Aufschäumens wird durch die Druckverhältnisse im Werkzeug bestimmt. Je länger die Druckentlastung im Spritzgießwerkzeug hinauszögert wird, desto dicker wird die kompakte Außenhaut und umso weniger gasbeladene Schmelze steht für das eigentliche Aufschäumen zur Verfügung. Es kann unter hohem Druck auch gasbeladene Schmelze in die Werkzeugkavität nachgefördert werden. In beiden Fällen wird das Bauteil und insbesondere seine Oberfläche härter.

Die Schaumstruktur, d. h. Schaumdicke, -dichte und Porengrößenverteilung, wird durch die Auseinanderbewegung der Werkzeughälften der Spritzgussform eingestellt. Je weiter die beiden Wekzeughälften auseinandergefahren werden, umso dicker wird der Schaum und umso geringer wird die Schaumdichte. Schnelles Auffahren bewirkt dabei die Ausbildung großvolumiger Poren, langsames Auffahren unter ansonsten identischen Bedingungen dagegen das Entstehen vieler, sehr feiner Poren. Je größer die Schaumdicke ist und je größer die Schaumzellen sind, desto weicher wird die Bauteiloberfläche.

Durch die gezielte Beeinflussung der Größe des Formhohlraums während der Prozessführung kann die Dichteverteilung des Schaums über der Dicke eingestellt werden. Es können diesbezüglich auch Gradientenstrukturen dargestellt werden. Die oben aufgeführten Modifikationen können innerhalb eines Bauteils durch lokale Variation der Prozessparameter in der Werkzeugkavität realisiert werden.

Gemäß Fig. 3 wird das Verfahren eingesetzt, um eine weiche, dekorative Oberfläche auf ein steifes, flächiges Trägerbauteil 7 aus einem für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Material aufzubringen. Es werden so etwa flächige Hart/Weich-Verbunde, beispielsweise für Kfz-Innenraumverkleidungen, mit aufschäumenden thermoplastischen Elastomeren hergestellt.

In einer weiteren Ausführung entsprechend Fig. 3 basiert das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auf der Mehrkomponenten-Spritzgusstechnologie. In einem ersten Schritt erfolgt das konventionelle Spritzen des starren Trägerbauteils 7 aus einem steifen Thermoplasten. Anschließend wird der Hohlraum zwischen den beiden Hälften 2, 3 des Spritzgusswerkzeugs vergrößert, beispielsweise durch einfaches Auseinanderziehen der Hälften mit Tauchkante oder mittels einer größeren zweiten Werkzeughälfte (z. B. Drehtellerverfahren) oder über verfahrbare Kerne im Werkzeug selbst. In den neuen Formhohlraum wird die in einer zusätzlichen Plastifiziereinheit 5 aufbereitete Weichkomponente 6, nämlich die expansionsfähige, gasbeladene Masse des geschmolzenen thermoplastischen Elastomeren, eingespritzt. Nach dem Einspritzen des Materials in den Hohlraum des Spritzgusswerkzeugs oberhalb des Trägerbauteils erstarrt die Schmelze in den oberflächennahen Bereichen aufgrund der niedrigen Temperatur der Werkzeuginnenwand spontan; es kommt nicht zur Ausbildung einer Schaumstruktur. Es bildet sich die geschlossene Außenhaut aus, in die gegebenenfalls eine in der Werkzeuginnenwand vorgegebene Oberflächenstruktur - beispielsweise eine Narbung - eingeprägt wird. Zwischen den erstarrten, kompakten Randzonen liegt weiterhin eine gasbeladene Schmelze vor, die während der Vergrößerung des Hohlraumes, vorzugsweise durch Auffahren einer Formhälfte 3 (Pfeilrichtung) oder durch Ziehen eines Werkzeugkerns, und dem damit verbundenen Druckabfall aufschäumt. Es entsteht ein "weiches" Verkleidungsbauteil entsprechend Fig. 4, wobei die Weichheit durch die Anordnung eines in-situ oberflächengenarbten Kunststoffbauteils, d. h. einer Struktur basierend auf thermoplastischen Elastomeren mit einem geschäumten Bereich und einer kompakten Oberflächenhaut, erzeugt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteils (1) mit kompakter Außenhaut aus einer schäumbaren Masse aus thermoplastischem Elastomer und darin enthaltenem Gas, dadurch gekennzeichnet,

• - dass die Gasbeladung der Schmelze (6) außerhalb einer Spritzgießform (2, 3) erfolgt und
• - dass die gasbeladene Schmelze (6) in den Hohlraum (4) der Spritzgieß­ form (2, 3) eingespritzt wird, wobei die Außenhautdicke durch die thermischen Verhältnisse an der Werkzeugoberfläche, der Start des Aufschäumens durch die Druckverhältnisse und die Schaumstruktur durch die Relativbewegung der Werkzeughälften der Spritzgießform eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung einer vorgegebenen Oberflächenstruktur durch die Abbildung einer entsprechenden Werkzeugoberflächenstrukturierung durch die geschlossene Außenhaut erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasbeladung der Schmelze des Thermoplastischen Elastomeren mittels eines chemischen Treibmittels, welches thermisch aktiviert sich unter Gasentwicklung zersetzt, oder mittels einer Direktbegasung jeweils in der Plastifiziereinheit (5) einer Spritzgießmaschine erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass lokal unterschiedliche Dicken der kompakten Außenhaut über gezielte, bereichsweise unterschiedliche Werkzeugtemperierung realisiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Weichheit des geschäumten Kunststoffteils über die Gesamtmenge an nachgedrückter, gasbeladener Kunststoffschmelze bestimmt wird, indem Zeitpunkt und Verlauf der Druckentlastung gezielt eingestellt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Schaumdichte sowie deren Verteilung über der Bauteildicke und somit die globale Weichheit des Bauteils durch die Relativbewegung der beiden Werkzeugformhälften beeinflusst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass lokal unterschiedliche Schaumdicken und daraus resultierend Weichheiten durch die lokale Variation der Relativbewegung innerhalb der Kavität eingestellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Darstellung von flächigen Hart/Weich-Verbundbauteilen mit weicher, dekorativer Oberfläche auf steifen Trägern eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des flächigen Hart/Weich-Verbundbauteils auf der Mehrkomponenten - Spritzgieß­ technologie, aufgrund der Werkstoff- und Prozessführung auf Mehrfarbenspritzguss basiert.