DE10052951C2 - Werkzeugform für die Herstellung von Formkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugform für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, insbesondere Polymergranulaten bzw Polymer- Pulvern, bei der die formgebende Herstellung unter Wärmezufuhr und Formgebung an inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform erfolgt.

Solche Werkzeugformen kommen in einer Vielzahl von Anwendungsfällen/­ Herstellungsprozessen zum Einsatz, bei denen der durch Wärme und/oder Druck plastifizierte oder auch aufgesprühte Polymerwerkstoff innerhalb der Werkzeugform durch die oder während der Polymerisation oder durch die während eines Sinterprozesses erfolgende Festigung/Molekülkettenbildung in eine neue Form gebracht und/oder mit einer neuen Oberflächenstruktur oder -textur versehen wird.

Die stets bestehende und wesentliche Problematik bei solchen Formprozessen besteht zum einen in der Verschmutzung der Formwerkzeuge durch Ablagerungen, welche eine periodische umfangreiche Reinigung der Werkzeugform bedingt, und zum anderen in der Sicherstellung der Entformbarkeit, d. h. der einfachen Entnahme des entstandenen Formkörpers aus der Werkzeugform.

Die Verschmutzung der Formwerkzeuge entsteht dabei oft dadurch, dass die eingesetzten Polymerwerkstoffe mit einer Reihe von chemisch-reaktiven Chemikalien versehen sind, also beispielsweise Vernetzungschemikalien, Reaktionsbeschleuniger, oberflächenaktive Substanzen, Alterungsschutzmittel, Weichmacher etc. enthalten, die bei den im Werkzeug vorhandenen Umgebungsbedingungen (Wärme, Druck) örtliche Reaktionen entweder mit den Wandungswerkstoffen des Werkstoffes eingehen oder aber durch den Kontakt mit der Werkzeugwand aufgrund z. B. von dort überhöhten Temperaturen in schlecht kontrollierbarer Weise reagieren, so dass an den Werkstoffwänden anhaftende Reaktionprodukte (Verschmutzungen) erzeugt werden.

Um solche Verschmutzungen zu verhindern, werden die Innenwände solcher Werkzeugformen üblicherweise mit Beschichtungen versehen, die ein Anhaften von unerwünschten Reaktionsbestandteilen verhindern sollen. Gleichzeitig sind solche Beschichtungen von Formen immer im Hinblick auf eine gute Entformung so auszulegen, dass eine Haftung des ausgeformten Bauteiles an der Form nach Abschluss des Formungsprozesses möglichst verhindert wird. Darüber hinaus ist eine möglichst verschleißfeste Beschichtung erwünscht, die bei vorgegebener Qualität des Bauteiles eine möglichst lange Lebensdauer der Form garantiert.

Die Berücksichtigung dieser drei Kriterien führt jedoch in den meisten Fällen zu einem Zielkonflikt. Während nämlich z. B. Beschichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die eine im Vergleich zu metallischen Oberflächen niedrige Oberflächenenergie besitzen, an sich gut dazu geeignet sind, eine sichere Entformbarkeit zu gewährleisten, ergeben sich im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit eher ungünstige Werte. Ein weiteres Problem solcher üblicherweise in Schichtdicken von < 10 µm aufgetragenen PTFE- Schichten besteht darin, dass insbesondere bei Bauteilen mit einer sehr feinstrukturierten und im Erscheinungsbild hochwertigen Oberfläche, wie z. B. also bei Formteilen, deren Oberfläche als Lederimitat mit feinen Riefen und Narben ausgebildet ist, die PTFE- Beschichtung die in der Negativform enthaltenen feinen Vertiefungen und Erhöhungen zum Teil ausfüllt oder glättet, so dass auch bei präzise hergestellter Negativform es kaum möglich ist, eine dem Original vergleichbare Oberflächenausbildung eines solchen Formkörpers zu erhalten.

Eine Beschichtung muß zur besseren Entformbarkeit vor allen Dingen drei Aufgaben erfüllen: die Erniedrigung der Oberflächenenergie der Form, die Blockierung reaktiver Stellen auf der Metalloberfläche, sowie die Bereitstellung einer guten Verschleißfestigkeit. Wenn zudem genarbte Oberflächenstrukturen möglichst originalgetreu abgebildet werden sollen, was vor allem zur Realisierung eines gewünschten Zweiglanzeffektes wichtig ist, muß diese Beschichtung möglichst dünn und gleichmäßig sein.

Auf der anderen Seite weisen übliche Werkzeug-Beschichtungen, wie z. B. Chrom- oder Chrom-Nickel-Schichten, eine hohe Oberflächenenergie und eine hohe Härte auf. Deshalb werden sie vor allem als Verschleißschutzschichten eingesetzt. Aufgrund der hohen Oberflächenenergie treten bei der Herstellung von Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, die mit Metall-Ionen reagieren können, bereits nach kurzem Einsatz Verschmutzungen in den Werkzeugformen auf und ein Entfernen der Formkörper/­ Produkte wird erheblich erschwert.

Aus der DE-OS 21 32 896 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen großer Ausdehnung für Gußteile aus elastomeren Werkstoffen bekannt, wobei die Gießform durch Strangpressen aus Nichteisenmetallen, insb. Aluminium, hergestellt wird. Das Aluminium kann oberflächlich oxidiert sein, wobei man davon ausgeht, dass ein Haften der zu verarbeitenden Elastomere an der Form durch die Aluminiumschicht verhindert wird.

Aus der DE 692 13 593 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Aluminiumoxid beschichteten gesinterten Formkörpers aus Sintercarbid oder einem ähnlichen Material, z. B. eines Schneidwerkzeugeinsatzes für die maschinelle Metallbearbeitung, bekannt, wobei das Metalloxid durch CVD (chemische Abscheidung aus der Dampfphase) auf den Formkörper aufgebracht wird. Deartige Verfahren, die bei sehr hohen Temperaturen, unter Vakuum und unter Verwendung von aggressiven und/oder giftigen Reagenzien stattfinden, eignen sich zur Bearbeitung kleiner Objekte, wie der erwähnten Schneideinsätze. Werkzeugformen für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, an die ganz andere Anforderungen gestellt werden als an Schneidwerkzeuge, werden in dieser Schrift nicht erwähnt.

Für die Erfindung bestand die Aufgabe, eine Beschichtung vorzusehen, die den oben erwähnten Zielkonflikt löst und eine gute Entformbarkeit bei gleichzeitiger Verschleißfestigkeit und Verschmutzungsresistenz aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass mindestens die formgebenden inneren Wandungsbereiche der Werkzeugform mit einer Schicht von aus einer Gasphase abgeschiedenen Metalloxiden (Oxid-Keramik) versehen sind. Hierbei sind verschiedene aus einer Gasphase abgeschiedene Metalloxide verwendbar, beispielsweise BeO (Beryllium-Oxid), MgO (Magnesium-Oxid), ZrO₂ (Zirkonium-Oxid) oder andere Mischoxide, ggf. auch dotiert mit weiteren Fremdmetallen (Fremdionen).

Es hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung der Formwerkzeuge mit in der Gasphase abgeschiedenen Metalloxiden, insbesondere eine Beschichtung mit Aluminiumoxid, für die genannten Herstellungsverfahren sehr gut geeignet ist.

Solche oxid-keramischen Beschichtungen weisen eine im Vergleich zu PTFE- Beschichtungen hohe Oberflächenenergie auf und ließen daher nicht vermuten, dass Verschmutzungsneigung und Entformbarkeit verbessert werden könnten. Da die bisher ausgetesteten Rezepturen der bei der Herstellung von Formkörpern verwandten Polymerwerkstoffe reaktive Gruppen enthalten, die sehr leicht eine Bindung mit Metallionen eingehen, war nicht zu erwarten, daß Beschichtungen, in denen Metallkationen vorhanden sind, eine gute Entformbarkeit ermöglichen. Darüberhinaus zeigten Versuche mit glasartigen Beschichtungen auf Basis von Silizium-Oxid (SiO₂) ein starkes Anhaften der Polymerwerkstoffe, woraus abzuleiten war, dass auch die oxid- keramischen Schichten ungeeignet wären und es auch dort zu starker Anhaftung aufgrund entsprechender chemischer Reaktionen käme.

Daher war es überraschend, daß gerade eine aus der Gasphase abgeschiedene Aluminiumoxid-Beschichtung eine leichtere Entformbarkeit der Sinterfolien ermöglicht, obwohl die reaktiven Gruppen der Rezeptur auch mit Al³⁺-Kationen leicht reagieren können.

Vorteilhafterweise lassen sich in solcher Art beschichtete Formen als Negativform ("Slush-Form") für einen Riesel-Sinter-Prozess verwenden, wobei ein Polymergranulat oder Polymer-Pulver eingebracht wird und unter Wärmezufuhr und Bewegung, insbesondere Rotation der Form, an deren inneren Wandungsbereichen zu einem Formkörper sintert.

Vorteile ergeben sich hierbei insbesondere bei Formwerkzeugen, die für oberflächenstrukturierte Bauteile verwendet werden, also beispielsweise für Kunstlederfolien als Lederimitat. Das aus der Gasphase ausgeschiedene Aluminiumoxid weist beispielsweise gegenüber einer PTFE-Beschichtung den Vorteil auf, dass eine Glättung und Egalisierung der feinstrukturierten Oberflächen des Formwerkzeuges nicht erfolgt, gleichzeitig aber eine sehr gute Entformbarkeit gewährleistet ist, wobei durch die nicht vorhandene Reaktion der zugesetzten Polymerchemikalien mit der Aluminiumoxidschicht auch keine Verschmutzungen entstehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Werkzeugform als hohle Negativform für ein Polyurethan-Sprühverfahren (Recticell-Verfahren) ausgebildet ist, bei dem ein flüssiges Reaktionsgemisch in die Werkzeugform eingebracht und unter Wärmezufuhr und und ggf. unter Bewegung der Form und 1 oder der Sprühdüse an den inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform zu einem Formkörper polymerisiert. Auch hier verbindet sich eine sehr gute Entformbarkeit mit dem sicheren Vermeiden von an der Form haftenden Verschmutzungen.

Gleiche Vorteile erreicht man dann, wenn die Werkzeugform als Extrudermundstück/­ Extruderdüse ausgebildet ist, in der Polymer unter Wärmezufuhr und Druck an den inneren Wandungsbereichen zu einem aus der Extruderdüse austretenden Formkörer ausgeformt wird.

Beim Einsatz der Beschichtungen in einem solchen Formwerkzeug ist der herausragende Effekt das Vermeiden von Verschmutzungen durch Reaktionsprodukte von chemischen Zusätzen in den Polymerwerkstoffen. Vorteilhaft kommt hinzu, dass bei den innerhalb einer Extruderdüse auftretenden hohen Scherspannungen im Innenwandbereich das Vermeiden von Verschmutzungen dazu führt, dass solche auch nicht mehr von den Düsenwänden abgerissen und in die Schmelze eingelagert werden können, was bei anderen Beschichtungen oft zu Fehlstellen, Lunkern etc. im Formkörper führen kann.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Negativform für einen Riesel-Sinter-Prozess ("Slush- Form")

Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt der Innenoberfläche der Formschale einer Negativform gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine als hohle Negativform ("Slush-Form") ausgebildete Werkzeugform 1 für einen Riesel-Sinter-Prozess. Die Werkzeugform besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich aus einer Formschale 2 und einem Deckel 3, die gemeinsam über einen hier nicht näher dargestellten Drehantrieb rotieren können und in entsprechenen Lagern 4 und 4' aufgehängt sind.

Die Werkzeugform ist zu Beginn des Herstellungsprozesses gefüllt mit einem fein zerkleinertem Polymergranulat bzw. Polymer-Pulver 5, welches bei Drehbewegung der Werkzeugform 1 an den Innenwänden der Werkzeugform entlang bewegt wird bzw. an diesen entlang rieselt.

Die Formschale 2, die hier als Negativ für ein Teilformstück eines Armaturenbrettes eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, wird dabei erwärmt, so dass das an dieser Formschale entlangrieselnde Polymer-Pulver in Form einer sich an diese Formschalen anlegenden Innenschicht aufsintert. Nachdem eine ausreichende Wanddicke des so entstehenden Formkörpers aufgebaut ist, kann die Drehbewegung gestoppt und die Temperaturzufuhr abgeschaltet werden, wonach nach einer gewissen Auskühlungszeit die Werkzeugform 1 geöffnet und der so entstandene Formkörper der Formschale entnommen werden kann.

Der hier entstehende Formkörper für ein Armaturenbrett weist die Struktur von vernarbtem Leder auf. Die Innenoberfläche der Formschale weist demzufolge ein entsprechend feingestaltetes Negativprofil bzw. eine entsprechend geformte Negativstruktur auf, die bei dem fertigen Formteil eine qualitativ hochwertige und von der Optik einem genarbten Leder identische Oberfläche erzeugt.

Die Fig. 2 zeigt mit Hilfe eines Teilschnittes der Formschale deren wesentlichen Aufbau sowie den Zustand während des Polymerisierens bzw. während des Aufsinterns des Polymer-Pulvers 5.

Die Formschale 2 besteht dabei aus einem Tragkörper 6, welcher auf seiner Innenseite mit einer Galvanik-Nickel-Schicht 7 belegt ist, deren zur Innenseite der Werkzeugform gerichtete Oberfläche als Negativprofil einer typischen Oberfläche genarbten Leders ausgebildet ist. Eine solche Schicht kann beispielsweise über verschiedenste Verfahren galvanischer Abscheidung auf einem entsprechenden Positiv hergestellt werden.

Die Galvanik-Nickel-Schicht 7 ist zur Erzielung der genannten Vorteile, nämlich zur guten Entformbarkeit, zur Vermeidung von Verschmutzungen und zur Bereitstellung einer genügenden Verschleißfestigkeit, wiederum versehen mit einer Schicht 8 von aus der Gasphase abgeschiedenem Al₂O₃ (Aluminiumoxid). Die Dicke der Aluminiumoxid- Schicht 8 beträgt dabei typischerweise etwa 3 µm, wodurch die für eine Oberflächenoptik eines genarbten Leders typischen Erhöhungen und Vertiefungen 9 präzise erhalten bleiben und nicht wie etwa bei einer Beschichtung aus PTFE teilweise ausgefüllt werden.

Auf dieser Aluminiumoxid-Schicht verfestigt sich nun das Polymer-Pulver 5 durch Polymerisation zu einem Formkörper 10, welcher nach der Entnahme aus der Werkzeugform in seiner Oberflächenstruktur von der Oberfläche eines genarbten Leders mit bloßem Auge nicht mehr zu unterscheiden ist.

Natürlich ist es auch möglich, auf die Zwischenschicht 7 aus galvanischem Nickel zu verzichten und den Tragkörper 6 direkt mit einer aus der Gasphase abgeschiedenen Schicht aus Aluminiumoxid zu beschichten, die zur Innenseite der Werkzeugform hin die entsprechende Negativform bzw. Negativstruktur eines genarbten Leders aufweist.

Bezugszeichenliste

(ist Bestandteil der Beschreibung)

1

Werkzeugform ("Slush-Form")

2

Formschale

3

Deckel

4

,

4

' Lager

5

Polymergranulat/Polymer-Pulver

6

Tragkörper

7

Schicht aus Galvanik-Nickel

8

AL₂

O₃

-Schicht

9

Erhöhung/Vertiefung

10

Formkörper

11

Oberfläche des (entformten) Formkörpers

Claims (7)

1. Werkzeugform für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, insbesondere Polymergranulaten, bei der die formgebende Herstellung unter Wärmezufuhr und Formgebung an inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die formgebenden inneren Wandungsbereiche (2) der Werkzeugform (1) mit einer Schicht (8) von aus einer Gasphase abgeschiedenen Metalloxiden versehen sind.

2. Werkzeugform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebenden inneren Wandungsbereiche (2) der Werkzeugform (1) mit einer Schicht (8) von aus einer Gasphase abgeschiedenem Al₂O₃ (Aluminiumoxid) versehen sind.

3. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugform (1) als hohle Negativform ("Slush-Form") für einen Riesel-Sinter- Prozess ausgebildet ist, in die ein Polymer-Pulver (5) eingebracht und unter Wärmezufuhr und Bewegung, insbesondere Rotation der Form an deren inneren Wandungsbereichen zu einem Formkörper (10) sintert.

4. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugform (1) als hohle Negativform für ein Polyurethan-Sprühverfahren ausgebildet ist, bei dem ein flüssiges Reaktionsgemisch in die Werkzeugform eingebracht und unter Wärmezufuhr und und ggf. unter Bewegung der Form und/­ oder der Sprühdüse an den inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform zu einem Formkörper (10) polymerisiert.

5. Werkzeugform nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Negativform als Werkzeugform für oberflächenstrukturierte Bauteile, insbesondere geformte Folien (Kunstlederfolien) ausgebildet ist.

6. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugform als Extrudermundstück/Extruderdüse ausgebildet ist, in der ein Polymergranulat unter Wärmezufuhr und Druck an den inneren Wandungsbereichen zu einem aus der Extruderdüse austretenden Formkörper ausgeformt wird.

7. Verwendung von aus einer Gasphase abgeschiedenen Metalloxiden, insbesondere von aus einer Gasphase abgeschiedenem Al₂O₃ (Aluminiumoxid), als Beschichtung für eine Werkzeugform für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, bei der die formgebende Herstellung unter Wärmezufuhr und Formgebung an inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform erfolgt.