DE10163601A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffproduktes und daraus hergestellte Produkte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffproduktes und daraus hergestellte Produkte

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DE10163601A1
DE10163601A1 DE2001163601 DE10163601A DE10163601A1 DE 10163601 A1 DE10163601 A1 DE 10163601A1 DE 2001163601 DE2001163601 DE 2001163601 DE 10163601 A DE10163601 A DE 10163601A DE 10163601 A1 DE10163601 A1 DE 10163601A1
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thermoforming
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Mats Karlsson
Eberhard Lang
Peter Nystroem
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Produkt und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welches aus einem Verbund aus Polypropylenschaum und zumindest einer weiteren thermoplastischen Schicht besteht und vorzugsweise als Verkleidungs- oder Anbauteile in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Hierbei werden extrudierte Halbzeuge aus unvernetzter Polypropylenschaumfolie in Verbindung mit zumindest einer Dekorschicht direkt nach deren Extrusion, unmittelbar nach der Kaschierung oder in einem zweiten Schritt erwärmt in einem oder mehreren Thermoformvorgängen und unter Einsatz von porösen Werkzeughälften, deren Oberflächen vorzugsweise eine Narbung aufweisen und an denen jeweils Unterdruck anliegt, zu Produkten wie Halbschalen für Sonnenblenden, Säulenverkleidungen oder Rammschutzleisten umgeformt. Vorzugsweise werden diese Schaumfolien in Verbindung mit TPO-Folien und/oder zumindest teilweise vernetzten PE-Schaumfolien unter Bildung eines Umbuges hergestellt, wobei dieser Umbug mittels einer Manschette bzw. Brille erzeugt wird, die zwischen den Trennebenen der Werkzeuge angebracht wird und deren Innendurchmesser um die Maße des umzubugenden Bereiches kleiner ist als die Außenmaße des herzustellenden Formkörpers.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem Schaumstoffverbund, bestehend aus einem unvernetzten Polypropylenschaumstoff und mindestens einer weiteren Schicht, vorzugsweise bestehend aus einem thermoplastischen Elastomer mit einer Matrix aus Polyproplyen, die als Verkleidungs- oder Anbauteile im Innen- oder Außenbereich von Kraftfahrzeugen Anwendung finden können.
  • Verpackungsschalen aus PS-Schaumstoff für Lebensmittelverpackungen werden beispielsweise erhitzt und in gekühlte massive Aluminiumwerkzeuge umgeformt. Kniekissen und Isoliermatten aus vernetztem Polyethylenschaum werden ebenfalls durch Erhitzen und nachträgliches Verpressen in einer konturgebenden Form hergestellt.
  • Es ist des weiteren bekannt, thermoplastische Kunststoff-Halbzeuge wie ungeschäumte Polyolefinfolien zu erhitzen und unter Anlegen von Vakuum an einer Formhäflte tiefzuziehen, um die gewünschte Formgebung zu erreichen.
  • Im Bereich der Verkleidungs- oder Anbauteile für Kraftfahrzeuge wie Sonnenblenden ist die Herstellung von Halbschalen aus EPP mit Kaschierung mit Folien oder Textilien sowie die Integration von Verstärkungs- oder Funktionselementen ein gängiger Aufbau. DE 197 31 393 beschreibt einen solchen Aufbau einer Sonnenblende.
  • Verfahren zur Kaschierung von Schaumstoffbauteilen wie beispielsweise das Kaschieren von Sonnenblendenhalbschalen oder Verkleidungsteile aus Schaumstoff zur B- Säulenverkleidung sind ebenfalls Stand der Technik. DE 29 51 3275 beschreibt eine mögliche Ausführung zur Ausbildung der Kantenbereiche um Kaschierung und Umbug an den Kanten zu ermöglichen.
  • Eine weitere Möglichkeit zur direkten Herstellung von Sonnenblendenhalbschalen ist der Einsatz von Werkzeugen aus Sintermetall und das direkte Schäumen von Formkörpern aus Partikelschaumstoff wie in DE 43 43 824 beschrieben.
  • Weiterhin sind Bauteile bekannt bei denen Folien zunächst tiefgezogen werden und in einem zweiten Schritt mit Schaumstoffformteilen verbunden werden, wie beispielsweise Aufnahmen für Fußbodenheizungen.
  • Der Einsatz von Polyurethanschäumen zum Direktschäumen von Formkörpern in einem Werkzeug z. B. für die Herstellung von Türinnenverkleidungen in Verbindung mit aufkaschierten Textilien zählt ebenfalls zum Stand der Technik.
  • Schaumstoffteile wie Sonnenblendenhalbschalen sind häufig Großserienbauteile die prozesstechnisch aufwendig hergestellt sind und deren Herstellung entsprechend kostenintensiv verläuft. Die Herstellung von Schaumstoffhalbschalen aus EPP erfolgt beispielsweise über die Herstellung der Schaumperlen mittels Autoklav- oder Extrusionsverfahren, die energetisch aufwendige Verschweißung von PP-Schaumpartikeln im Formteilprozess mittels Heißdampf und eine anschließende Temperung. In einem weiteren Schritt erfolgt die Kaschierung mit einer Dekorfolie oder mit einem Schaum- Textilverbund. Neben des Nachteils eines relativ aufwendigen und teuren Prozesses ist die Festigkeit dieser Bauteile in den Randbereichen und in Bereichen dünner Querschnitte begrenzt.
  • Beim direkten Hinterschäumen von Folien wie beispielsweise für Säulenverkleidungen aus EPP im Kraftfahrzeuginnenbereich ist neben der erheblichen Prozessunsicherheit vor allem die Taktzeit und die begrenzte Haftung des Folien-Schaumstoffverbundes als auch der Partikel untereinander - zurückzuführen auf die mangelhafte Dampfzuführung - unzureichend.
  • Einlegeteile wie Scharniere, Licht- oder Spiegelhalterungen sind schlecht bis gar nicht in diesen Prozess integrierbar. Beim Verpressen werden diese nicht vollständig umschlossen. Beim Umschäumen entsteht häufig keine ausreichende Verschweißung.
  • Insbesondere bei massiven Halbschalen, die mittels Spritzgießtechniken oder Blasformen hergestellt werden, sind unter die Dekorschicht weitere elastische Schichten zur Verbesserung der haptischen Eigenschaften anzubringen. Neben unzureichenden stoßabsorbierenden Eigenschaften sind diese massiven, ungeschäumten Grundkörper deutlich schwerer als ihre geschäumten Varianten. Die Dekorschichten, welche zumeist aus Polyvinylchlorid gefertigt werden, können nicht stoffschlüssig befestigt werden. Zur Verbesserung der haptischen Eigenschaften werden häufig vernetzte Schaumlagen unterlegt. Bei diesen Aufbauten sind somit ökonomisch und ökologische Problemstellung zusammengefasst.
  • Wesentlicher Nachteil bei Formkörpern aus Polyurethanschaumstoffen in Verbindung mit Textilien oder Folienkaschierungen ist wiederum die bedingte Recyclingfähigkeit dieser Verbunde. Dieselbe Problematik ergibt sich bei Dekorhäuten aus Polyvinylchlorid und bei den eingangs benannten vernetzten Polyethylenschäumen
  • Werden genarbte Dekorhäute zur Kaschierung verwendet, entsteht häufig ein optisch nicht zu akzeptierender Narbverzug in den hochverstreckten Randbereichen.
  • Beim Tiefziehen geschäumter oder ungeschäumter Folien mittels einseitiger Vakuumbeaufschlagung ergeben sich Produkte mit nur geringer Dickenvarianz.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einem wirtschaftlichen Prozess bereitzustellen, der die sortenreine Herstellung von dekorativen und leichten Bauteilen, vorzugsweise für Verkleidungs- oder Anbauteile in Kraftfahrzeugen, ermöglicht.
  • Dies wird dadurch gelöst, dass extrudierte Halbzeuge aus unvernetzter ein- oder mehrlagiger Polypropylenschaumfolie in Verbindung mit zumindest einer weiteren thermoplastischen Schicht direkt nach deren Extrusion, unmittelbar nach der Kaschierung oder in einem zweiten Schritt erwärmt, in einem oder mehreren Thermoformvorgängen und unter Einsatz von porösen Werkzeughälften, deren Oberflächen vorzugsweise eine Narbung aufweisen und an denen jeweils Unterdruck anliegt, zu Produkten wie Halbschalen für Sonnenblenden, Säulenverkleidungen oder Rammschutzleisten umgeformt werden. Vorzugsweise werden die Schaumfolien in Verbindung mit TPO-Folien und/oder zumindest teilweise vernetzten PE- Schaumfolien unter Bildung eines Umbuges hergestellt, wobei dieser Umbug mittels einer Manschette bzw. Brille erzeugt wird, die zwischen der Trennebene der Werkzeuge angebracht wird und deren Innendurchmesser um die Maße des umzubugenden Bereiches kleiner ist als die Außenmaße des herzustellenden Formkörpers.
  • Zur Formgebung der Halbzeuge werden die Werkzeuge derart gestaltet, dass die Werkzeugmatrize, deren Form der äußeren Kontur des herzustellenden Produktes entspricht, aus einem porösen Werkstoff besteht oder perforiert ist. Zum Einsatz können hierbei poröse Harze, Sintermetalle, Gitterstrukturen, nachträglich perforierte Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze kommen. Im Gegensatz zu einem reinen Presswerkzeug wird so die genau Konturabbildung, Dickenvarianzen und die Auffüllung des Umbugbereiches gewährleistet.
  • Die für das Thermoformen notwendige Erwärmung der tiefzuziehenden Materialien kann über Heizeinrichtungen außerhalb und/oder innerhalb des Werkzeuges und/oder durch Temperieren der Werkzeugkavität erreicht werden.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich die homogene werkzeugexterne Erwärmung des Verbundes herausgestellt. Auf diese Weise kann auf die energetisch aufwendige Temperierung des Werkzeuges verzichtet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante ist die Thermoformung in direktem Anschluss an die Kaschierung und/oder Extrusion, um beispielsweise die Restwärme der Halbzeugherstellung zu nutzen. Eine bevorzugte Variante zur Herstellung des Halbzeugverbundes ist die Extrusion oder Kalandrierung der TPO-Schicht direkt auf die PP-Schaumfolie oder den Schaumfolienverbund.
  • Zur Erzielung eines optimierten Oberflächenbildes empfiehlt es sich, nach dem eigentlichen Heizvorgang noch eine kurze Überhitzung der Verbundoberfläche auf Temperaturen um oder über den Schmelzpunkt des Werkstoffverbundes durchzuführen um eine ausreichende plastische Verformbarkeit der oberen Materialschichten zu erreichen und eine verbesserte Abbildung der Oberflächenstruktur zu erzielen.
  • Der Umbug der Deckschicht an den Randbereichen wird direkt im Umformwerkzeug erreicht durch Einsatz einer Manschette bzw. Brille, deren Innendurchmesser um die Maße des umzubugenden Bereiches kleiner ist als die Außenmaße des herzustellenden Formkörpers. Die Manschette ist zwischen den Trennkanten des Werkzeugs bzw. an der Trenneben des die Sichtseite des Produktes bildenden Werkzeughälfte angebracht. Der tiefzuziehende Werkstoffverbund wird durch diese Manschette in die Matrize und mit Hilfe des Unterdrucks an die Gegenform gedrückt und auf diese Weise um die Manschette herum gelegt. Die überstehende Dekorfolie wird gegebenenfalls abgeschnitten oder verbleibt bei der Montage oder nach Verbinden des Bauteiles bzw. der Halbschalen in den unsichtbaren Freiräumen des Bauteiles.
  • Durch Einlegen von vorzugsweise Kunststoffteilen wie Verstärkungsrahmen, Klipse, Anbauelemente, Scharniere, Spiegelhalterungen bei Sonnenblenden oder Inlays aus anderen Materialien wie elektronische Bauteile kann eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Schaumstoffverbund während des Thermoformprozesses erreicht werden.
  • Die Herstellung der Werkzeughälften kann durch die Herstellung eines Muttermodeles und das Abformen mit einem porösen oder porenbildenen Harz erfolgen oder mittels Fräsen aus porösen Halbzeugen, beispielsweise aus Harz oder Sintermetall.
  • Die Strukturierung der Werkzeugoberfläche oder von Teilbereichen derselben erfolgt mittels Ätzung des Werkzeuges oder der Muttermodelloberfläche. Eine bevorzugte Variante stellt die Strukturierung der Muttermodelloberlfläche mit einem strukturbildenden Lack dar.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante besteht in der Möglichkeit, Einlegeteile wie Rahmen, Scharniere oder Klipse, vorzugsweise aus derselben Werkstoffklasse wie die Polymerschäume in das Werkzeug einzulegen bzw. dem Halbzeug bereits vor der Erhitzung beizulegen. Die stoff- und formschlüssige Anformung kann somit gewährleistet werden.
  • Wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die Herstellung von Formkörpern aus Schaumverbunden unter Einsatz kostengünstig herstellbarer Halbzeuge die in einfachen Prozessschritten zu Formkörpern verarbeitet werden. Aufgrund des Einsatzes perforierter oder poröser Werkzeugkavitäten ist die Herstellung von Produkten aus Schaumverbunden mit gleichbleibender Qualität und ohne Faltenbildung der Deckschicht beim Einsatz von Folien oder Textilien mit hoher Prozeßsicherheit möglich. Die Integration von Einlege- oder Anbauteilen ermöglicht eine rationelle Fertigung von Produkten wie beispielsweise vormontierte Halbschalen für Sonnenblenden.
    • Ausführungsbeispiel
  • 3 Schaumstofffolien aus unvernetztem Polypropylen mit einer Dichte von jeweils 50 g/l werden mittels Flammkaschierung zu einer Verbundfolie mit einer Dicke von 9 mm verschweißt. Nachfolgend wird eine Dekorschicht aus einem Thermoplastischen Elastomer mit einer Matrix aus Polypropylen aus einer Breitschlitzdüse mit einer Dicke von 1 mm direkt auf diesen Verbund aufextrudiert. Optional können sich diesem Schritt Lackierverfahren zur Erhöhung der Kratz- und UV-Beständigkeit der Dekorfolie anschließen. Der Verbund wird zusammen mit den Einlegeteilen 25 min auf 155°C in einem konventionellen Offen erhitzt, mit einer Nacherhitzung der Oberfläche über 45 Sekunden auf 185°C. Unmittelbar danach wird der Verbund in die Thermoformanlage eingegeben und mit beidseitiger Vakuumunterstützung thermoformiert. Die Vakuumunterstützung ist bereits beim Schließvorgang aufzubauen.
    • Zeichnung
  • Sonnenblenden-Halbschale (1), beispielhaft mit Ausformungen (1b) und mit den Einlegeteilen: Kunststoffrahmen (2a) und Spielhalterelement (2b), Deckschicht (3), Deckschicht im Umbugbereich (4) und Randbeschnitt/Überstand (5)

Claims (21)

1. Verfahren zum Thermoformen von Halbzeugen welche zumindest eine thermoplastische Schaumstoffschicht enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische Schaumstoffschicht aus einer oder mehreren unvernetzten Polypropylenschaumfolien besteht und/oder eine oder mehrere unvernetzte Polypropylenschaumfolien im Verbund mit zumindest einer weiteren Deckschicht besteht, wobei die thermoplastische Deckschicht vorzugsweise auf Basis von Thermoplastischen Elastomeren besteht und diese thermoplastische Schaumstoffschicht bzw. der benannte Verbund unter Einsatz eines porösen oder mit Perforierung ausgestatteten Werkzeugs und unter Anlage eines Unterdrucks umgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PP-Schaumfolie oder der PP-Schaumfolienverbund mit einer Deckschicht kaschiert wird und diese Deckschicht aus
a) einer TPO-Folie besteht
b) einer TPO-Folie mit Schaumrücken aus zumindest teilweise vernetzten Polyethylenschaum oder Polypropylenschaum oder eines Copolymeren derselben Art besteht,
c) einem Textil besteht,
d) einem Textil mit Schaumrücken wie unter b) benannt besteht
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug zumindest in Teilbereichen eine Narbung aufweist und dass die Dekorfolie während der Thermoformung seine Oberflächenstruktur erhält.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug an einem Muttermodel abgeformt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Muttermodell zumindest teilweise mit einer strukturbildenden Oberfläche versehen ist und diese Oberfläche vorzugsweise durch strukturbildende Lacke oder durch Ätzen hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem porösen Harz oder Metall besteht und aus einem Halbzeug materialabtragend hergestellt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Sintermetall aufgebaut ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Porenharz aufgebaut ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug über Vorrichtungen zur Erzeugnung eines Umbugs der Deckschicht verfügt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umbug der Deckschicht im Werkzeug erfolgt durch
a) einen Gegenhalter im Werkzeug;
b) Eine Manschette, deren Innenmaße, in etwa den Außenmaßen des umzuformenden Werkstoffverbund entspricht und im Trennebenenbereich der Werkzeuge, vorzugsweise an der die Sichtseite des Produktes bildende Werkzeughälte angeordnet ist;
c) Schieber im Werkzeug.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umzuformende Werkstoffverbund mittels gängigen Kaschierverfahren, wie Heisgaskaschieren, Flammkaschierung etc. hergestellt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbzeugverbund durch Extrudieren oder Kalandrieren der TPO-Folie direkt auf die Polyproylenschaumfolie oder den Polyproylenschaumfolienverbund erfolgt
13. Verfahren nach Ansprüch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Restwärme des Prozesses zur Herstellung des Halbzeuges unmittelbar zur Thermoformung genutzt wird und/oder die Thermoformung unmittelbar nach der Kaschierung und/oder der Extrusion erfolgt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umzuformende Materialien
a) vor dem Umformprozess
b) während des Umformprozesses
c) über ein temperiertes Werkzeug erwärmt werden
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Verbundes in einem Ofen und/oder einem Heizfeld unmittelbar vor der Thermoformung erfolgt und/oder der Verbund in einem untemperierten Werkzeug thermogeformt wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in zwei Stufen erfolgt, vorzugsweise mit einer ersten homogenen Durchwärmung des Verbundes und eine zweite kürzere Heizphase zur Erzielung einer höheren Oberlächentemperatur bei Temperaturen um den oder oberhalb des Schmelzpunktes des Materialverbundes.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass während der Erhitzung des Halbzeuges und/oder zu einem anderen Zeitpunkt des Thermoformprozesses Einlegeteile, vorzugsweise auf Polyolefinbasis, in den Schaumstoff-Verbund mit eingebracht werden und dort stoffschlüssig und/oder formschlüssig befestigt werden.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlegeteile in den Verbund zur Versteifung des Schaumstoffverbundes eingebracht werden.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlegeteile eingebracht werde, die Funktionselemente wie Halter, Scharniere, Spiegelklappe und -halter oder Platinen beinhalten
20. Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die umzuformenden Materialien auf eine Temperatur von 140-250°C erwärmt werden
21. Produkte nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei diesen Produkten um Sonnenblenden, Rammschutzleisten A-, B- oder C-Säulenverkleidungen handelt.
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