DE10019192A1 - Verfahren zur Herstellung von Kfz-Teilen aus Kunzstoffschaum - Google Patents

Abstract

Nach der Erfindung werden Kfz-Teile nicht mehr aus Partikelschaum, sondern aus Extruderschaumsträngen hergestellt, indem nach der Abkühlung die Extruderstränge oder Teile davon wiedererwärmt und nach der Wiedererwärmung thermoverformt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffschaum, insbesondere Sonnenblenden, Ablagen, Verkleidungsteilen.

Seit Jahren werden dies Kfz-Teile aus Kunststoffschaum gefertig. Dabei ist ein Partikelschaum zur Anwendung gekommen. Partikelschaum ist im Unterschied zum Extruderschaum zu sehen.

Partikelschaum hat in seiner Ausgangsform eine Partikelform. Geläufig für die Kunststoffschaumpartikel ist die Bezeichnung Beads. Der Durchmesser der Kunststoffschaumpartikel beträgt 1 bis 5 mm. Die Außenform kann dabei rund, zylinderförmig, tonnenartig oder linsenförmig sein. Die Außenform ergibt sich aus dem Herstellungsvorgang der Kunststoffschaumpartikel. Die Kunststoffschaumpartikel werden zur Herstellung eines Formteiles miteinander verschweißt oder verklebt. Das geschieht in einem Formteilautomaten. Dort ist ein dem gewünschten Formteil entsprechender Hohlraum vorgesehen, in den die Partikel eingefüllt werden. Anschließend erfolgt eine Erwärmung der Partikel an der Außenfläche. Die Erwärmung erfolgt zumindest bis in die Nähe des Schmelzpunktes. Unter gleichzeitigem Expansionsdruck und/oder Fülldruck werden die Partikel zur Verschweißung gebracht.

Der Vorteil der Partikelschaumtechnik ist die Formgebung in dem Formteilautomaten. Auch relativ komplizierte Formen können auf dem Wege hergestellt werden. Zugleich ist die Herstellung äußerst preisgünstig. Aufwendig sind lediglich die Formen. Es gilt die Regel, daß die Kosten der Form keine Rolle spielen, wenn die Serie groß genug ist. Bei Kfz-Teilen ist die Serie immer groß.

Der Partikelschaum hat die Herstellung von Kfz-Teilen aus PU-Spritz-Schaum praktisch abgelöst. Der PU-Schaum wird als Kunststoff mit Treibmitteln in eine Form gespritzt und schäumt dort auf. Um im Verhältnis zu Formteilen aus Partikelschaum gleiche Eigenschaften zu erreichen müssen derartige Kfz-Teile höhere Raumgewichte haben. Das ist mit einem höheren Kunststoff-Verbrauch und entsprechenden Kosten verbunden. Eine andere Problematik der PU-Schaumteile ist das Recyclen. Im Unterschied zu PP-Partikelschaum ist eine aufwendige Entsorgung von PU-Schaum erforderlich.

Die Anbieter von Kfz-Teilen stehen bei der Kfz-Industrie unter starkem Wettbewerbsdruck, so daß immer nach Möglichkeiten zur Preisreduzierung gesucht wird. Auch der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Preisreduzierung zu schaffen.

Dabei hat sich die Erfindung von der Vorstellung gelöst, daß zwingend an der Herstellung der Kfz-Teile aus Partikelschaum festgehalten wird. Die Erfindung hat sich der Herstellung aus Extrudiertem Schaum, und zwar aus strangförmigem Kunststoffschaum zugewandt.

Die Extrusion ist ein sehr komplexer Vorgang:

Für die Extrusion wird Kunststoff in fester Form in den Extruder eingegeben und dort unter entsprechendem Druck und Temperatur aufgeschmolzen wird. In dem schmelzflüssigen Zustand werden Additive und Treibmittel sehr homogen verteilt. Im Produktsionsablauf haben Additive z. B. die Aufgabe als Stabilisatoren oder Nukleierungsmittel zu wirken. Ferner gibt es Zuschläge zur Produktbeeinflussung, z. B. Flammhemmer und Farbstoffe. Auch Füllmittel müssen als Zuschläge angesehen werden.

Die Treibmittel wurden in früherer Zeit üblicherweise als chemische Treibmittel mit dem Kunststoff und den Zuschlägen aufgegeben. In zeitgemäßen Anlagen wird ein physikalisches Treibmittel erst aufgegeben, wenn der Kunststoff aufgeschmolzen worden ist. Das Zugeben des Treibmittels erfolgt unabhängig von der Bauart des Extruders an geeigneter Stelle in der Verarbeitungsstrecke des Extruders. Früher war die Verwendung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen als Treibmittel zulässig. Das Extruderschäumen war mit diesen Treibmitteln relativ leicht beherrschbar. Das hat sich grundlegend durch Verbot dieser Treibmittel geändert. Zeitgemäße Treibmittel verwenden z. B. Kohlendioxid, das sehr viel schwieriger ist. Gleichwohl wendet sich die Erfindung der Extrusion zu.

Bei den Extrudern wird grob zwischen den Einschneckenextrudern, den Doppelschneckenextrudern und den Planetwalzenextrudern unterschieden. Bei den Einschneckenextrudern und Doppelschneckenextrudern gibt die Bezeichnung Aufschluß über die verwendete Anzahl von Schnecken. Bei dem Doppelschneckenextruder kämmen die Schnecken miteinander. Die Verzahnungen beider Schnecken sind so aufeinander abgestimmt, daß die Zähne beider Schnecken ineinandergreifen können. Dadurch entsteht eine besonders starke Förderwirkung. Dies ist Anlaß, um in einer Extrusionsanlage für das Einziehen von Einsatzmaterial, Druckaufbau und Aufschmelzen einen Doppelschneckenextruderteil einzusetzen. Die Mischung/Dispergierung von Zuschlägen und Treibmittel mit Schmelze kann in dem Doppelschneckenextruderteil oder in einem nachgeschalteten zweiten Extruderteil der Anlage stattfinden. Von Vorteil ist die Tandembauart mit zwei hintereinander geschalteten Extrudern, deren Betriebsbedingungen in Grenzen unabhängig voneinander beeinflußbar sind, z. B. die Drehzahlregelung.

In der Tandembauart hat der zweite, nachgeschaltete Extruder zugleich die Aufgabe, die Schmelze auf Extrusionstemperatur (Schmelzeaustrittstemperatur) zu kühlen. Für den zweiten, nachgeschalteten Kühler werden in der Praxis bislang Einschneckenextruder eingesetzt.

Sämtliche Schmelzebehandlung kann auch in einem einzigen Extruder, auch in einem einzigen Einschneckenextruder erfolgen.

Aus dem Extruder tritt ein unvernetzter Kunststoffschaumstrang aus.

So hergestellter Kunststoffschaum unterscheidet sich in seiner Herstellung ganz wesentlich von vernetztem Kunststoffschaum. Für die Herstellung vernetzten Kunststoffschaumes wird vorzugsweise ein extrudierter ungeschäumter Kunststoff als Ausgangsmaterial verwendet. Durch Wärmebehandlung schäumt der Kunststoff auf und entsteht eine Vernetzung. Alternativ ist eine chemische Vernetzung oder eine Vernetzung mit Bestrahlung möglich.

Der erfindungsgemäß unvernetzte Kunststoffschaumstrang wird in einem nachgeschalteten Kalibrator auf bestimmte Querschnittsabmessungen gebracht, z. B. in die Form einer Kunststoffschaumbahn mit geringer Dicke, vergleichsweise großer Breite. Auch andere Profilquerschnitte sind möglich. Im folgenden wird auch dann von Strang gesprochen, wenn der Strang aus Handhabungsgründen in bestimmte Längen abgelängt wird.

Nach der Erfindung wird der entstandene Strang zunächst abgekühlt, bis auch der Kern des Kunststoffschaumstranges eine ausreichende Festigkeit hat. Unmittelbar danach (z. B. inline) oder in zeitlichem Abstand (z. B. unter Zwischenlagerung des Materials) erfolgt eine erneute Erwärmung des Kunststoffschaumes, so daß der Kunststoffschaum zumindest in bestimmten Bereichen einer anschließenden Verformung den Glaspunkt/Kristallisationspunkt erreicht. Das schließt zulässige Temperaturabweichungen ein, auf die unten noch eingegangen wird. Bei der erfindungsgemäßgen Verformungs-Temperatur wird dem Schaum in einer Preßstation die gewünschte Außenform gegeben, z. B. die Form einer Sonnenblende oder einer hinteren Ablage. Die Preßstation ist dazu mit einer Matrize und einer Patrize versehen.

Der Glaspunkt/Kristallisationspunkt ist der Temperaturpunkt, an welchem der Kunststoff beginnt plastisch zu werden. Der Glaspunkt/Kristallisationspunkt liegt hinsichtlich der Temperatur in einigem "Grad"-Abstand von dem Schmelzpunkt. Die erfindungsgemäße Erwärmung soll nicht mehr als 50% des "Grad"-Abstandes über den Glaspunkt/Kristallisationspunkt hinausgehen. Die erfindungsgemäße Erwärmung soll auch nicht mehr als dieses Maß unter dem Glaspunkt/Kristallisationspunkt bleiben.

Soweit im folgenden von dem Glaspunkt/Kristallisationspunkt gesprochen wird, schließt das die möglichen vorstehenden Temperaturabweichungen ein.

Für die erfindungsgemäße Thermoformierung konnte bisher als unvernetzter Schaum bislang nur Polypropylen gefunden werden.

Wahlweise kann die Formgebung in der Preßstation auch genutzt werden, um zugleich eine verdichtete Außenhaut des Formlinges zu erzielen. Die verdichtete Außenhaut erhöht die Festigkeit des Formlinges sehr stark. Für die Verdichtung der Außenhaut ist eine Glaspunkt/Kristallisationspunkt-Erwärmung vorgesehen, welche die gesamte zu verdichtende Schicht erfaßt. Die richtige Erwärmung kann unter Temperaturmessung am Schaum gesteuert werden. Ausreichend ist jedoch bei wiederholter Herstellung eine Zeitmessung der Erwärmung bei gleichzeitiger Kontrolle ausreichender Wärmezugabe. Die Erwärmungszeit wird vorzugsweise bei der Erstherstellung ermittelt. In der Regel liegt die Erwärmungszeit bei weniger als 5 Minuten. Für geringe Materialdicken kann auch eine Erwärmung von wenigen Sekunden ausreichend sein. Für die kurzzeitige Erwärmung können auch Durchlauföfen eingesetzt werden. Die Erwärmung kann allseitig erfolgen oder sich auf bestimmte Flächen beschränken, bei der Erwärmung bestimmter Flächen können Wärmestrahler und/oder Heißgas/luft Anwendung finden.

Die Schichtdicke des Ausgangsmaterials wird um das Verdichtungsmaß dicker als das Endmaß des Formteils gewählt.

Wahlweise kann auch mehr als der Randbereich des Ausgangsmaterial, auch das gesamte Ausgangsmaterial auf Glaspunkt/Kristallisationspunkt erwärmt werden. Dann verteilt sich die Verdichtung auf einen größeren Bereich des Formlings.

Vorzugsweise ist das Verdichtungsmaß kleiner oder gleich 20 mm, wahlweise kleiner oder gleich 10 mm. Das kann für den Rand gelten, aber auch für die Gesamtdicke des Formlings. Bezogen auf die Gesamtdicke des Formlings ist vorzugweise vorgesehen, daß das Verdichtungsmaß 10% bis 40% der Gesamtdicke ist. Dieser Bereich kann auch auf 20 bis 30% eingeengt werden.

Es ist mit der erfindungsgemäßen Verdichtung auch möglich bestimmte Einformungen in das Ausgangsmaterial vorzunehmen. In Bezug auf das Sonnenblenden können diese Einformungen z. B. der Aufnahme von Spiegeln und/oder Lampen dienen. In einem solchen Fall ergibt sich das Verdichtungsmaß durch die notwendige Einformungstiefe. Vorteilhafterweise erfährt das Material an den Einformungsrändern eine besondere Verdichtung und eine damit verbundene Verfestigung. Das ist der Halterung von Spiegeln und Lampen förderlich.

Überraschenderweise ist der wiedererwärmte und verdichtete Schaum in seinen Eigenschaften nicht geschädigt. Im verdichteten Bereich entsteht ein neues Raumgewicht in Abhänigkeit vom Verdichtungsmaß. Vorzugsweise liegt das Raumgewicht nach der Verdichtung bei kleiner oder gleich 300 kg pro Kubikmeter, wahlweise weit darunter, z. B. bei 50 kg pro Kubikmeter und noch darunter.

Wahlweise erfolgt in der Preßstation zugleich ein Ausstanzen/Ausschneiden des entstandenen Formlinges aus der Materialbahn bzw. Materialplatte. Das Ausstanzen/Ausschneiden kann auch vorher oder nachher erfolgen. Beim "Ausstanzen/Ausschneiden vorher" ergibt sich eine zusätzliche Bearbeitungsstation und das Problem der anschließenden Führung der Zuschnitte in die Preßstation.

Beim "Ausstanzen/Ausschneiden nachher" ergibt sich auch eine zusätzliche Bearbeitungsstation. Das "Ausstanzen/Ausschneiden nachher" kann zweckmäßig sein, wenn eine Kaschierung/Beschichtung des Formlinges mit einem Material gewünscht ist, das die Wärmebehandlung für die Thermoverformung nicht verträgt. Dann bildet das zwischen den Formlingen verbliebene Material einen Träger/Führung für alle Formlinge.

Von Vorteil ist es, wenn eine gewünschte Kaschierung/Beschichtung des Kunststoffschaumes vor der Erwärmung für die Thermoverformung erfolgt. Dabei ist sowohl eine vollflächige Kaschierung wie auch eine teilflächige Kaschierung/Beschichtung möglich. Die vollflächige Kaschierung/Beschichtung vereinfacht die Steuerung bzw. Positionierung beim Pressen und Stanzen. Die teilflächige Kaschierung/Beschichtung reduziert den Materialaufwand.

Zum Kaschieren/Beschichten sind wahlweise vorgesehen: geschäumte oder ungeschäumte Kunststoff-Folien, Gewebe, Leder. Für das Kaschieren/Beschichten vor und ggfs. bei der Wärmebehandlung findet wieder Polypropylen-Kunststoff Anwendung, andere Kunststoffe ggfs. in vernetzter Form.

Die Kaschierung/Beschichtung kann esthetische und/oder Gebrauchsgründe haben. Z. B. kann die Beschichtung der einheitlichen Farb- und/oder Oberflächengebung für den Fahrzeuginnenraum dienen. Es kann auch mit Hilfe einer weichen Kunststoffschaumschicht ein Soft-touch erreicht werden.

Der Kaschier/Beschichtungsvorgang erfolgt mit oder ohne Haftvermittler. Die übliche Kaschierung/Beschichtung setzt ein Anschmelzen der Berührungsflächen von Kaschier/Beschichtungsmaterial und Kunststoffschaum und anschließendes Zusammendrücken voraus. Zum Anschmelzen kann die notwendige Wärme mittels Wärmestrahlern und/oder Heißluftgebläsen geliefert werden. Verschiedene Kunststoffe entwickeln durch Erwärmung und Andrücken Klebekräfte. Die Klebekräfte sind umso höher, je höher die Kunststoffe dem Glaspunkt/Kristallisationspunkt kommen.

Sofern die miteinander zu verbindenden Materialien gleichartig sind, ist auch ein Verschweißen möglich. Die Verschweißung setzt eine Erwärmung der Schweißflächen auf Schweißtemperatur voraus. Die unter den Schweißflächen liegenden Materialschichten werden nicht gefährdet, solange die Erwärmung nach Erreichen der Schweißtemperatur abgebrochen oder entsprechend reduziert wird und wenn das Aneinanderdrücken der Schweißflächen baldmöglichst nach Erreichen der Schweißtemperatur erfolgt.

Die oben angesprochene Gleichartigkeit des Materials schließt auch Materialmischungen ein, die nur in einem Bestandteil übereinstimmen.

Von besonderem Vorteil ist ein mehrschichtiges erfindungsgemäßes Ausgangsmaterial. Die Mehrschichtigkeit kann diverse Gründe haben, z. B. die Kombination unterschiedlicher Materialien, z. B. unterschiedliche Polypropylenschaumschichten und oder vernetzte sonstige Kunststoffe wie PE.

Durch Verstärkungsmaterial/Einlagen läßt sich in weiten Grenzen die Festigkeit erhöhen.

Die Mehrschichtigkeit der Kfz-Teile kann auch genutzt werden, um andere Teile zwischen zwei Schaumschichten einzuschließen. Das können z. B. die Gelenkteile an Sonnenblenden sein.

Bei herkömmlichen Sonnenblenden aus Partikelschaum oder PU-Schaum werden die Gelenkteile in die Form eingelegt und umschäumt. Das Einlegen in die Form kompliziert die Form ganz erheblich. An den eingelegten Gelenkteilen kommt es auch immer wieder zu Herstellungsschwierigkeiten.

Durch die erfindungsgemäße Mehrschichtigkeit und das erfindungsgemäße Pressen/Verdichten formen sich durchgehend erwärmte Schichten beim Pressen schließend um die eingelegten anderen Teile.

Bei teilweiser Erwärmung der Schichten auf Glaspunkt/Kristallisationspunkt findet die Erwärmung nach der Erfindung an den zur Verformung bestimmten Schichtenflächen statt. Bei Einlegen von Gelenkteilen und anderen Teilen sind das die mit den eingelegten Teilen korrespondierenden Schichten.

Mit den erwähnten Wärmequellen und ggfs. mit sogenannten Heizkeilen und Übertragung von Berührungswärme können die betreffenden Flächen gezielt auf Glaspunkt/Kristallisationspunkt gebracht werden. Z. B. erfolgt das durch Auseinanderfalten der Schichten, gleichmäßige Wärmebestrahlung der Berührungsflächen beider Schichten. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur können beide Schichten zusammengelegt und zusammengedrückt werden.

Die in erfindungsgemäßer Weise einschließbaren Teile sind an Sonnenblenden vorzugsweise die Gelenkteile oder auch Elektroleitung. Es kommen auch andere Zwischenlagen in Betracht, z. B. Drahtbügel, Rohre oder Rahmen zur Aufnahme und/oder oder Führung von anderen Teilen und/oder zur Stabilisierung/Verfestigung.

Es können in Seitenteilen auch Führungen/Schächte gebildet werden, z. B. für Fenster, Fensterheber, Schließmechaniken.

Die Gelenke sind ein wesentlicher Bestandteil von Sonnenblenden. Bisher bestehen die Gelenke aus einer Hülse und einer in die Hülse eingreifenden Gelenkstange.

Nach der Erfindung wird die Schichtdicke der mehrschichtigen Formteile so gewählt, daß das Gelenk nach dem Pressen und Einschließen genau an vorbestimmter Stelle der Sonnenblende positioniert ist. Das kann z. B. die Sonnenblendenmitte sein.

Die Verbindung der Schichten entsteht in der oben zum Kaschieren/Beschichten erläuterten Weise.

Die Verbindung der Schichten kann auch in der Presse erfolgen. Das heißt, die Presse kann nicht nur das Verdichten und Ausstanzen/Schneiden sondern auch noch eine weitere Funktion übernehmen. Das verringert das Gesamtanlagenvolumen.

Auf die Möglichkeit, beim Thermoformieren sofort die Vertiefungen für die Spiegel oder zum Einsetzen von Leuchten zu erzeugen, ist oben schon hingewiesen worden.

Eine weitere Anwendung der Erfindung können die Verkleidungen für die A, B, und C- Säulen im Kfz bilden. Die A-Säulen sind die vorderen Säulen der Karosse, zwischen denen die Frontscheibe gehalten ist. Die B-Säulen sind die mittleren Säulen, die C-Säulen die hintern Säulen, zwischen denen die Rückscheibe gehalten ist.

Der nach der Erfindung für das Extrusionsmaterial verwendete Kunststoff kann der gleiche sein wie der herkömmlich für den Partikelschaum verwendete Kunststoff, z. B. Polypropylen. In mehreren Schichten ist eine Kombination mit anderen Kunststoffen, z. B. Polyethylen, und/oder mit anderen Kunststoffzusammensetzungen möglich. Der Kunststoff wird in zeitgemäßer Verarbeitung nicht mehr als reiner Rohkunststoff sondern in unterschiedlichen Mischungen und Verarbeitungszuständen zur Anwendung gebracht.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann bei gleicher Qualität wie partikelschaumgefertigter Kfz-Teile ein Kostenvorteil bis 30% gegenüber der Partikelschaumfertigung erwirtschaftet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Kfz-Teilen aus unvemetztem Kunststoffschaum, gekennzeichnet durch die Verwendung eines extrusionsgeschäumten Ausgangsmaterials, das nach ausreichender Abkühlung zumindest dicht an den Glaspunkt/Kristallisationspunkt wiedererwärmt und durch Pressen unter bleibender Verdichtung des Schaumes in die gewünschte Form gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Herstellung mehrschichtiger Kfz- Teile, wobei an den Berührungsflächen der Schichten eine Wiedererwärmung stattfindet und Zwischenlagen und/oder andere Teile zwischen zwei Kunststoffschaumschichten eingeschlossen werden und/oder Hohlräume zwischen den Kunststoffschaumschichten gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen Verstärkungslagen und/oder die anderen Teile Gelenke für Sonnenblenden und/oder Leitungen sind und/oder die Hohlräume Kanäle oder Schächte sind und/oder daß eine Kombination verschiedener Kunststoffschäume erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Randverdichtung/Außenhautverdichtung des Materials und/oder durch eine weitergehende Kernverdichtung des Materials und/oder durch Einformungen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Verdichtungsmaß von kleiner oder gleich 20 mm, vorzugsweise 10 mm.

6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Verdichtungsmaß von 10% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 30%, bei Verdichtung des gesamten Teilequerschnittes bezogen auf den Gesamtquerschnitt der Kfz-Teile.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Verdichtung auf ein Raumgewicht bis 300 kg pro Kubikmeter, vorzugsweise bis 50 kg pro Kubikmeter.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Erwärmung in einem Durchlaufofen und/oder eine zeitgesteuerte Erwärmung.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Verwendung strangförmigen Ausgangsmateriales für das Pressen und gleichzeitiges Ausschneiden der Teile beim Pressen oder anschließendes Ausschneiden der Teile.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Kaschierung der Ausgangsmateriales vor dem Pressen oder nach dem Pressen mit Folien oder Geweben oder Leder

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Anwendung auf Sonnenblenden, Ablagen, Verkleidungsteile, Armaturenbretter, Säulen.