DE10053050A1

DE10053050A1 - Kunststoff-Formteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10053050A1
Application number: DE2000153050
Authority: DE
Inventors: Jens Junggebauer; Alexander Siebeneich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Formteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles, wobei eine fließfähige Kunststoffmasse in einen durch zwei Werkzeughälften gebildeten Formraum eingebracht wird und nach Erstarren der Kunststoffmasse das Werkzeug geöffnet und das Formteil entformt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass vor dem Einbringen der Kunststoffmasse (30) in den Formraum (26) mindestens eine Diffusionssperrschicht (22) auf mindestens eine der beiden den Formraum (26) begrenzenden Werkzeugoberflächen (14, 16) der Werkzeughälften (10, 12) aufgebracht wird und die Diffusionssperrschicht (22) sich mit der eingebrachten Kunststoffmasse (30) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Formteil sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 10.

Es ist bekannt, Kunststoff-Formteile unterschiedlichster Gestaltung mit verschiedenen Verfahren, wie zum Beispiel Spritzgießen, Tiefziehen, Formpressen, Schäumen und Blasen, herzustellen. Dabei wird eine fließfähige Kunststoffmasse in einen Formraum eines Werkzeuges eingebracht, wo sie ihre Form erhält. Das Werkzeug umfasst üblicherweise zwei lösbar miteinander verbindbare Werkzeughälften, die zusammen den Formraum ausbilden. Entsprechend dem Verfahren unterscheidet man die jeweiligen Werkzeughälften zum Beispiel als Schließ- und Düsenseite oder als Matrize/Patrize. Nach Erstarren der Kunststoffmasse im Formraum wird das Werkzeug geöffnet und das Formteil entformt.

Es sind ferner verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Diffusionssperrschichten auf Oberflächen von Kunststoff-Formteilen bekannt, welche eine Durchlässigkeit (Permeabilität) des Formteiles für bestimmte Gase oder Flüssigkeiten verringern sollen. Neben dem nachträglichen Auftragen der Diffusionssperrschicht durch Lackieren oder Kaschieren sind chemische Nachbehandlungsverfahren bekannt. Ein chemisches Verfahren, das sich zur Erzeugung einer Diffusionssperrschicht in Kunststoffkraftstofftanks für Kraftfahrzeuge durchgesetzt hat, ist die Fluorierung. Dabei wird die Oberfläche des Kunststoffes mit einem fluorhaltigen Gas in Kontakt gebracht, wobei Wasserstoffatome des Kunststoffes teilweise durch Fluor substituiert werden. Die so hydrophilisierte Oberfläche des Kunststoff-Formteiles führt zu einer verminderten Neigung hydrophober Fluide, beispielsweise Kraftstoffe, zur Adsorption an und Diffusion durch den Kunststoff. Auf einem ähnlichen Prinzip beruht das Sulfonierungsverfahren, bei dem polare SO-Funktionalitäten in der zu behandelnden Oberfläche eingebunden werden. Ferner lassen sich Diffusionssperrschichten durch Plasmapolymerisation aufbringen. Dabei wird ein geeignetes Monomer in einem Niederdruckplasma angeregt und auf der zu behandelnden Kunststoffoberfläche abgeschieden. Durch geeignete Wahl des Materials können auf diese Weise hydrophile oder hydrophobe Schichten erzeugt werden. Dagegen liefert die Fluorierung oder Sulfonierung grundsätzlich hydrophile Sperrschichten, welche die Durchlässigkeit, für hydrophobe Fluide vermindern. Alle genannten Verfahren sind zusätzliche Behandlungsschritte, die Mehrkosten und einen zusätzlichen Prozessaufwand erfordern. Zudem liefern sie bei komplexen Oberflächengestaltungen oder in Hohlkörpern teilweise unbefriedigende Ergebnisse.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Prozessaufwand verbundenes Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles mit einer Diffusionssperrschicht zur Verfügung zu stellen. Ferner sollen durch das Verfahren hergestellte Kunststoff-Formteile zur Verfügung gestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kunststoff-Formteil nach Anspruch 10 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass vor dem Einbringen der Kunststoffmasse in den Formraum mindestens eine Diffusionssperrschicht auf mindestens eine der beiden den Formraum begrenzenden Werkzeugoberflächen der Werkzeughälften aufgebracht wird und die Diffusionssperrschicht sich mit der nachträglich eingebrachten Kunststoffmasse verbindet.

Auf diese Weise erhält das Kunststoff-Formteil bereits während seines eigentlichen Herstellungsprozesses eine Diffusionssperrschicht. Herkömmliche Nachbearbeitungsschritte wie Offline-Fluorieren, Plasmapolymerisation oder Kaschieren entfallen. Dadurch wird das Verfahren vereinfacht und kostengünstiger. Zudem ist die Verwendung üblicher Werkzeuge möglich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in bereits bestehende Herstellungsprozesse unter Verwendung bereits angefertigter Werkzeuge integriert werden kann. Durch geeignete Auswahl eines Materials für die Diffusionssperrschicht lässt sich eine große Bandbreite von Sperrwirkungen beispielsweise gegenüber polaren oder unpolaren Fluiden erzeugen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Diffusionssperrschicht insbesondere durch Aufsprühen auf die Werkzeugoberfläche/n aufgebracht. Dies kann besonders vorteilhaft in Form eines trocknenden Lackes, eines Dispersionslackes oder eines aushärtenden Pulvers erfolgen. Dabei haben sich Silikatlacke oder Polyamid-Pulverlacke als besonders geeignet herausgestellt.

Gemäß einer alternativen Ausbildung des Verfahrens wird die Diffusionssperrschicht als eine bereits weitgehend formintegere Schicht auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht. Dabei kann sie als ein bereits vorgeformter Körper (Vorformling) aufgelegt oder als eine nicht vorgeformte Folie auf die Werkzeugoberfläche eingelegt, tiefgezogen oder gepresst werden.

Der Vorformling oder die Folie kann auch ein Verbundmaterial, bestehend aus mehreren Schichten gleicher und/oder unterschiedlicher Materialien, umfassen. In Frage kommende Materialien sind Kunststoffe verschiedenster Art, insbesondere mit Metallocen-Katalysatoren hergestelltes Polyethylen (PE-Me), Kunststoffe mit metallischen Komponenten, beispielsweise metallisierte Kunststoff-Folien und/oder vollständig metallische Materialien. Zwischen den einzelnen Schichten und/oder auf der dem eingebrachten Kunststoff zugewandten Seite der Diffusionssperrschicht können haftvermittelnde Schichten vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Kunststoff-Formteil ist gekennzeichnet durch mindestens eine vor dem Einbringen der Kunststoffmasse in den Formraum auf mindestens eine der beiden den Formraum begrenzenden Werkzeugoberflächen der Werkzeughälften aufgebrachte und mit der eingebrachten Kunststoffmasse verbundenen Diffusionssperrschicht.

Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Kunststoff-Formteil als Kraftstofftank oder als Bestandteil eines Kraftstofftanks ausgebildet sein, wobei der Kraftstofftank in der sogenannten Teilschalen- oder Vollschalenbauweise ausgeführt sein kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht eines Werkzeuges die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles gemäß einer Ausführung der Erfindung am Beispiel eines Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung von Tankhalbschalen und

Fig. 2 einen Verfahrensschritt gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung vier Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles, wobei gemäß einer ersten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung eine Diffusionssperrschicht als aufgesprühte Schicht auf eine Werkzeugoberfläche aufgebracht wird. In Schritt A befindet sich das aus zwei Werkzeughälften, der formschlussseitigen Werkzeughälfte 10 und der einspritzseitigen Werkzeughälfte 12, bestehende Spritzgießwerkzeug in einem geöffneten Zustand. Die zwei innenliegenden Werkzeugoberflächen 14, 16 sind derart ausgestaltet, dass sie im geschlossenen Zustand eine Negativ-Form des herzustellenden Kunststoff-Formteiles 32 darstellen. Die einspritzseitige Werkzeughälfte 12 ist zudem mit einer Einspritzöffnung 18 ausgestattet. Mit Hilfe einer zwischen den Werkzeughälften 10, 12 einfahrbaren Sprühvorrichtung 20 wird auf die Werkzeugoberfläche 14 der formschlussseitigen Werkzeughälfte 10 eine Diffusionssperrschicht 22 aufgesprüht. Dafür ist die Sprühvorrichtung 20 mit zweckmäßig verteilten Öffnungen ausgestattet, aus denen das Schichtmaterial in Form eines Lack- und/oder Pulveraerosols 24 austritt und sich an der Werkzeugoberfläche 14 abscheidet. In Abwandlung zur dargestellten Variante können auch die Oberfläche 16 der einspritzseitigen Werkzeughälfte 12 oder beide Werkzeugoberflächen 14, 16 beschichtet werden. Zudem ist eine aufeinander folgende Auftragung mehrerer gleichartiger oder unterschiedlicher Schichten denkbar, wobei insbesondere auf der der eingespritzten Kunststoffmasse 30 zugewandten Seite der Diffusionssperrschicht 22 eine haftvermittelnde Schicht aufgebracht werden kann. Besonders vorteilhaft können während des Sprühvorganges verschiedene Bereiche der Werkzeugoberflächen 14, 16, insbesondere Randbereiche, durch Schablonieren abgeschattet werden, so dass an diesen Bereichen keine Abscheidung des Lackes oder Pulvers 24 erfolgt. Nach Beendigung des Sprühverfahrens wird die Sprühvorrichtung 20 aus dem Werkzeug 10, 12 herausgefahren und das Werkzeug geschlossen.

Fig. 1B zeigt den anschließenden Einspritzvorgang bei geschlossenem Werkzeug 10, 12. Zu erkennen ist hier ein Formraum 26, der durch die Oberflächen 14, 16 der beiden Werkzeughälften 10, 12 begrenzt wird. Eine Düse 28 einer weiter nicht dargestellten Aufbereitungsanlage für Kunststoff-Formmassen wird auf die Einspritzöffnung 18 der Werkzeughälfte 12 aufgesetzt und eine fließfähige Kunststoffmasse 30, insbesondere eine Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffes, durch die Einspritzöffnung 18 in den Formraum 26 gespritzt. Fig. 1B zeigt den teilweise mit der Kunststoffmasse 30 gefüllten Formraum 26. Das Einspritzen der Kunststoffmasse 30 erfolgt vorzugsweise nach vollständiger Trocknung beziehungsweise Aushärtung der Diffusionssperrschicht 22. In bestimmten Fällen kann aber auch ein Einspritzen vor vollständigem Abbinden der Sperrschicht 22 sinnvoll sein, beispielsweise um eine Haftfestigkeit zwischen der Sperrschicht 22 und dem Kunststoff 30 zu erhöhen. Das Werkzeug 10, 12 ist im Bereich des Masseaustrittes aus der Düse so repariert, dass keine Schädigungen der Sperrschicht während der Füllung erfolgen. Nach vollständiger Befüllung des Formraumes 26 (Fig. 1C) erfolgt das Erstarren (Abkühlen) der Kunststoffmasse 30, wobei sich diese mit der Diffusionssperrschicht 22 verbindet. Nach dem Erstarren der Kunststoffmasse 30 wird das Werkzeug 10, 12 geöffnet und das fertige Kunststoff-Formteil 32 - bestehend aus dem Kunststoffträgerkörper 34 und der mit diesem verbundenen Diffusionssperrschicht 22 - entformt (Fig. 1D). Hierfür kann eine Entnahmevorrichtung 36 in das geöffnete Werkzeug 10, 12 gefahren und das Kunststoff-Formteil 32 mit Saug- oder Greifansätzen 38 der Entnahmevorrichtung 36 erfasst und entnommen werden. Das Werkzeug 10, 12 steht nun - gegebenenfalls nach einer Reinigung - für einen weiteren Verfahrenszyklus zur Verfügung.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens, bei der die Diffusionssperrschicht 22 als eine bereits vorgeformte Schicht (Vorformling) in das Werkzeug 10, 12 eingebracht wird. Dabei kann die vorgeformte Diffusionssperrschicht 22 aus einer Folie aus einem geeigneten Kunststoffmaterial aber auch als ein rein metallischer Körper ausgebildet sein. Denkbar ist auch, die Verwendung von mehrschichtigen Folien, sogenannten Verbundfolien, mit Schichten gleicher oder verschiedener Materialien. Als Materialien kommen Kunststoffe, gegebenenfalls mit metallischen Bestandteilen, beispielsweise metallisierte Kunststoff-Folien, in Frage. Die Diffusionssperrschicht 22 kann beispielsweise in Press- oder Tiefziehwerkzeugen vorgeformt werden. Sie kann dann - wie dargestellt - mit Hilfe einer mit Greif- oder Saugansätzen 42 ausgestatteten Einlegevorrichtung 40 ergriffen werden und in das geöffnete Werkzeug 10, 12 eingelegt werden. Nach einer von der Darstellung abweichenden Variante des Verfahrens kann auch eine als dünne Folie ausgestaltete Diffusionssperrschicht 22, die nicht vorgeformt ist, in die Werkzeughälften 10, 12 eingelegt werden und dort gegebenenfalls tiefgezogen oder gepresst werden. Auf der der einzuspritzenden Kunststoffmasse 30 zugewandten Seite kann die vorgeformte oder nicht vorgeformte Folie für die Diffusionssperrschicht 22 zur Verbesserung der Verbindung mit der Kunststoffmasse 30 eine haftvermittelnde Schicht aufweisen. An den in Fig. 2 dargestellten Verfahrensschritt schließen sich in üblicher Weise das Einspritzen der Kunststoffschmelze 30, das Erstarren sowie die Entnahme des Kunststoff-Formteiles 32 gemäß der in Fig. 1 B bis D dargestellten Verfahrensschritte an.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Prozessablauf wurde anhand des Spritzgießverfahrens beschrieben. Sinngemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Herstellungsverfahren, beispielsweise Tiefziehen, Formpressen, Schäumen oder Blasen angewandt werden.

Die Schichtdicke der Diffusionssperrschicht 22 liegt typischerweise im µm- bis mm-Bereich und ist damit im Regelfall deutlich geringer als die Schichtdicke der Trägerschicht 34. Grundsätzlich ist die Auswahl des Materials für die Diffusionssperrschicht 22 auf das zu erzielende Sperrverhalten sowie auf eine Verbindungsfähigkeit mit dem Trägermaterial, das heißt mit der eingespritzten Kunststoffmasse 30, abzustimmen. Hingegen ist das Material für den Kunststoffträgerkörper 34 hinsichtlich der gewünschten Materialeigenschaften des fertigen Kunststofferzeugnisses, wie Härte, Berstverhalten, Zugmodul, Schlagzähigkeit, Dichte usw., auszulegen. So ist etwa die Einhaltung von Zulassungsbedingungen für Kunststofftanks für Kraftfahrzeuge in genormten Fall- und Berstversuchen zu überprüfen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

formschlussseitige Werkzeughälfte

12

einspritzseitige Werkzeughälfte

14

Werkzeugoberfläche

16

Werkzeugoberfläche

18

Einspritzöffnung

20

Sprühvorrichtung

22

Diffusionssperrschicht

24

Lack- oder Pulveraerosol

26

Formraum

28

Düse

30

Kunststoffmasse

32

Kunststoff-Formteil

34

Kunststoffträgerkörper

36

Entnahmevorrichtung

38

Greifansätze

40

Einlegevorrichtung

42

Greif- oder Saugansätze

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteiles, wobei eine fließfähige Kunststoffmasse in einen durch zwei Werkzeughälften gebildeten Formraum eingebracht wird und nach Erstarren der Kunststoffmasse das Werkzeug geöffnet und das Formteil entformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Kunststoffmasse (30) in den Formraum (26) mindestens eine Diffusionssperrschicht (22) auf mindestens eine der beiden den Formraum (26) begrenzenden Werkzeugoberflächen (14, 16) der Werkzeughälften (10, 12) aufgebracht wird und die Diffusionssperrschicht (22) sich mit der eingebrachten Kunststoffmasse (30) verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (22) auf die mindestens eine der beiden Werkzeugoberflächen (14, 16) aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (22) in Form eines Lackes, einer Dispersion oder eines Pulvers (24) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (22) als ein Vorformling auf die Werkzeugoberfläche (14, 16) aufgelegt wird oder als Folie auf die Werkzeugoberfläche (14, 16) eingelegt, gezogen oder gepresst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling oder die Folie eine oder mehrere Schichten gleicher und/oder unterschiedlicher Materialien umfasst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling oder die Folie eine Kunststoffschicht, insbesondere mit Metallocen- Katalysatoren hergestelltes Polyethylen (PE-Me), und/oder Kunststoffe mit metallischen Komponenten und/oder eine Metallschicht und/oder eine haftvermittelnde Schicht umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (22) bei geöffnetem oder geschlossenen Werkzeug (10, 12) aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Kunststoffmasse (30) nach Teil- oder Vollerhärtung der Diffusionssperrschicht (22) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Kunststoffmasse (30) eine haftvermittelnde Schicht auf die der Kunststoffmasse (30) zugewandten Seite der Diffusionssperrschicht (22) aufgebracht wird.

10. Kunststoff-Formteil, hergestellt durch Einbringen einer fließfähigen Kunststoffmasse in einen durch zwei Werkzeughälften gebildeten Formraum, Erstarren der Kunststoffmasse und Entformung des Kunststoff-Formteiles aus dem geöffneten Werkzeug, gekennzeichnet durch mindestens eine vor dem Einbringen der Kunststoffmasse (30) in den Formraum (26) auf mindestens eine der beiden den Formraum (26) begrenzenden Werkzeugoberflächen (14, 16) der Werkzeughälften (10, 12) aufgebrachte und mit der eingebrachten Kunststoffmasse (30) verbundenen Diffusionssperrschicht (22).

11. Kunststoff-Kraftstofftank nach Anspruch 10 ausgeführt in Teilschalen- oder Vollschalenbauweise.