DE102004007865B4

DE102004007865B4 - Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan enthaltenden Verbundelements mittels Vakuumtechnik

Info

Publication number: DE102004007865B4
Application number: DE200410007865
Authority: DE
Inventors: Georg Partusch; Klaus Schmutzer; Manfred MICHL; Otto Oswald; Manfred Schmiedel; Roman Lesser; Stefan Fleischmann
Original assignee: BASF SE; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: BASF SE; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: DE102004007865A1

Abstract

Formwerkzeug zur Herstellung von Verbundelementen, umfassend ein Formunterteil (3) und ein Formoberteil (4), einen ersten Dichtkreis (1) und einen zweiten Dichtkreis (2), wobei im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Werkzeugkavität (5) gebildet wird, die durch den umlaufenden ersten Dichtkreis (1) begrenzt wird und wobei umlaufend um die durch den ersten Dichtkreis (1) begrenzte Werkzeugkavität (5) ein evakuierbarer Unterdruckraum (6) gebildet wird, der durch den ersten Dichtkreis (1) und zweiten Dichtkreis (2) begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundelements, enthaltend eine Außenschicht (a), gegebenenfalls eine Trägerschicht (c) und eine Schicht aus Polyurethanschaumstoff (b), mittels Vakuumtechnik sowie ein Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens und ein Verbundelement, erhältlich durch das Verfahren.
Verbundelemente für den KFZ-Innenbereich, wie z. B. Instrumententafeln oder Türseitenteile, werden bisher hergestellt, indem Dekormaterialien wie z. B. Kunststoff-Folien, -Häute, Leder und Textilbezüge in ein Unterteil von Schäumwerkzeugen eingelegt werden, optionale Versteifungen (Träger) am Werkzeugoberteil befestigt werden, ein Polyurethan-Reaktionsgemisch in das Werkzeug eingetragen und das Werkzeug dann geschlossen wird. Das Polyurethan-Reaktionsgemisch beginnt nun aufzuschäumen, verdrängt durch einen belassenen Spalt zwischen Dekor und Träger die Luft und füllt den Zwischenraum mit Schaum. Idealerweise wird, wenn der Schaum am Rand der Kavität austritt (Austrieb), die rundumlaufende Dichtung in diesem Randbereich aufgeblasen und somit Dekor und Träger gasdicht aufeinander gepresst. Es folgt die Verdichtung und die Ausreaktion des Schaumes. Dieses Verfahren ist in der DE 198 22 113 C1 beschrieben.
Die DE 200 21 270 U1 offenbart ein Formwerkzeug zum Herstellen von Formteilen, beste- hend aus einem formstabilen Trägerteil, einer Dekorhaut und einer dazwischen liegenden Schaumstoffschicht, vorzugsweise aus Polyurethan, wobei in der Trennebene zwischen Ober- und Unterwerkzeug eine aufblasbare Dichtung in einer Nut angeordnet ist, wobei in der Nut für die aufblasbare Dichtung eine Vakuumnut vorgesehen ist, die über eine Leitung an eine Unterdruckquelle anschließbar ist.
Die DE 15 04 278 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus gasbildende Stoffe enthaltenden thermoplastischen Kunststoffen, bei dem die Schmelze aus der Düse als fertiger Strang extrudiert oder in den Hohlraum einer Form gespritzt wird, wobei die Schmelze unmittelbar nach ihrem Austritt aus der Düse gegen ein im formgebenden Raum aufgebautes, in seiner Druckhöhe einstellbares Luft- oder Gas-Druck-Polster gedrückt wird, das unter dem Gegendruck der Schmelze aus dem Raum zum Entweichen gebracht wird.
Die DE 196 17 284 A1 offenbart eine Form zur Herstellung von geschäumten und ungeschäumten Kunststoffformteilen, die in der Formtrennebene einen evakuierbaren Drainagekanal aufweist und wobei die Formtrennebene außerhalb des Drainagekanals abgedichtet ist, so dass das Formnest vor oder während der Formgebung evakuiert werden kann.
Durch unterschiedliche Fließfronten des Polyurethanschaums kommt es im Verfahren des Standes der Technik immer wieder zu Lufteinschlüssen (Lunkern). Kleinere Fehlstellen können repariert werden (Nacharbeit), große Lunker führen zu Ausschuss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verbundelement sowie ein Verfahren und Werkzeug zu dessen Herstellung bereit zu stellen, das weniger oder bevorzugt im Wesentlichen keine Lufteinschlüsse im Polyurethanschaumstoff aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reduzierung des Schaumgewichtes in der Polyurethanschicht zu erreichen und den Schaumaustritt durch den offenen Spalt zu minimieren
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass durch den Einbau eines zweiten umlaufenden Dichtkreises außerhalb des bereits bestehenden Dichtkreises eine Möglichkeit geschaffen wird, die gesamte Formwerkzeug-Kavität vor dem Aufschäumen des PUR-Reaktionsgemisches zu evakuieren.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Formwerkzeug zur Herstellung von Verbundelementen, umfassend ein Formunterteil und ein Formoberteil, einen ersten Dichtkreis und einen zweiten Dichtkreis, wobei im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Werkzeugkavität gebildet wird, die durch den umlaufenden ersten Dichtkreis begrenzt wird und wobei umlaufend um die durch den ersten Dichtkreis begrenzte Werkzeugkavität ein evakuierbarer Unterdruckraum gebildet wird, der durch den ersten und zweiten Dichtkreis begrenzt wird.
Der erste Dichtkreis kann bei geschlossenem zweiten Dichtkreis geöffnet werden. Bei schlossenem zweiten Dichtkreis und geöffnetem ersten Dichtkreis ist auch die Werkzeugkavität evakuierbar, da durch Evakuieren des Unterdruckraums auch die Werkzeugkavität evakuiert wird.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundelements, enthaltend

a) eine Außenschicht,
b) eine Schicht aus Polyurethanschaumstoff und
c) gegebenenfalls eine Trägerschicht,

(i) Einlegen der Außenschicht in das Formunterteil und gegebenenfalls Einbringen, bevorzugt Aufstecken auf das Formoberteil, der optionalen Trägerschicht (c),
(ii) Einbringen der Polyurethansystemkomponenten auf die Außenschicht und Schließen des Formwerkzeugs, wobei das Schließen des Formwerkzeugs vor (= Schäumen in geschlossene Form) oder nach dem Einbringen der Polyurethansystemkomponenten erfolgen kann,
(iii) Schließen des zweiten Dichtkreises,
(iv) Evakuieren des Unterdruckraums und der Werkzeugkavität,
(v) Reagieren lassen des Polyurethansystems,
(vi) Schließen des ersten Dichtkreises, bevor das reagierende Polyurethansystem aus der Werkzeugkavität austreten kann, und
(vii) Aushärten lassen des Polyurethanschaumstoffs und Öffnen des Formwerkzeugs.

Die Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden durch 1, die eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zeigt, veranschaulicht.
In 1 bedeutet:
Bezugszeichenliste

1: erster Dichtkreis
2: zweiter Dichtkreis
3: Formunterteil
4: Formoberteil
5: Werkzeugkavität
6: Unterdruckraum
7: Vakuumdüse
8: Drucksensor
9: Außenschicht
10: Trägerschicht
11: Vakuum-Kanal für Randvakuum
13: Unterdruckrohr

Das erfindungsgemäße Formwerkzeug wird bevorzugt zur Herstellung von Verbundelementen, umfassend

a) eine Außenschicht 9,
b) eine Schicht aus Polyurethanschaumstoff und
c) gegebenenfalls eine Trägerschicht 10

Das erfindungsgemäße Formwerkzeug enthält ein Formunterteil 3 und ein Formoberteil 4, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Als Formunterteil und/oder Formoberteil werden im allgemeinen Werkzeughälften eingesetzt, deren Oberfläche beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Emaille, Teflon, Epoxydharz oder einem anderen polymeren Werkstoff besteht, wobei die Oberfläche gegebenenfalls verchromt, beispielsweise hartverchromt sein kann. Bevorzugt sollten die Formwerkzeuge temperierbar sein, um die bevorzugten Temperaturen einstellen zu können. Zum Erreichen der nötigen Schließkraft ist bevorzugt die eine Werkzeughälfte druckbeaufschlagt.
Beim Schließen von Formunterteil und Formoberteil entsteht ein Hohlraum, der als Werkzeugkavität 5 bezeichnet wird und der im erfindungsgemäßen Verfahren das resultierende Verbundelement enthält.
Die Werkzeugkavität 5 wird durch den ersten Dichtkreis 1 begrenzt. Der erste Dichtkreis 1 ist im Allgemeinen umlaufend um die Werkzeugkavität 5 angebracht. Der erste Dichtkreis kann aus einem Stück gefertigt sein, bevorzugt ist jedoch, dass der erste Dichtkreis durch mehrere aneinandergereihte Dichtungen aufgebaut ist.
Der Begriff ”Kreis” in den Ausdrücken erster oder zweiter ”Dichtkreis” ist nicht im mathematischen Sinne aufzufassen, vielmehr soll ”Kreis” verdeutlichen, dass die Dichtung umlaufend um das in der Regel nicht kreisförmige Formwerkzeug angeordnet ist.
Bei dem ersten Dichtkreis kann es sich um einen permanenten oder um einen regelbaren Dichtkreis handeln. Der erste Dichtkreis ist bevorzugt regelbar, d. h. er kann bevorzugt mittels eines Steuergeräts, geöffnet und geschlossen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Dichtkreis um einen aufblasbaren Dichtkreis (d. h. der Dichtkreis ist aufblasbar und abblasbar), deren aneinandergereihte Dichtungen zu unterschiedlichen Zeiten aufgeblasen bzw. abgeblasen werden können.
Auf der von der Werkzeugkavität 5 abgewandten Seite des ersten Dichtkreises befin- det sich im erfindungsgemäßen Formwerkzeug zwischen Formoberteil und Formunterteil der Unterdruckraum 6, der durch den ersten und den zweiten Dichtkreis begrenzt wird.
Der zweite regelbare Dichtkreis ist im Allgemeinen umlaufend um die Werkzeugkavität angebracht. Der zweite Dichtkreis kann aus einem Stück gefertigt sein, bevorzugt ist jedoch, dass der zweite Dichtkreis durch mehrere aneinandergereihte Dichtungen aufgebaut ist.
Der zweite Dichtkreis kann permanent sein, d. h. bei geschlossener Form ist der Unterdruckraum 6 nach außen abgedichtet oder der zweite Dichtkreis ist regelbar, d. h. er kann bevorzugt mittels eines Steuergeräts, geöffnet und geschlossen werden. Die Regelung des zweiten Dichtkreises erfolgt üblicherweise unabhängig von der Regelung des ersten Dichtkreises. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem zweiten Dichtkreis um einen aufblasbaren Dichtkreis.
An den Unterdruckraum 6 grenzt das Unterdruckrohr 13, welches bevorzugt durch das Formoberteil verläuft. Unter Unterdruckrohr wird im Rahmen dieser Erfindung eine Vorrichtung verstanden, durch die das Gas im Unterdruckraum regelbar entfernt werden kann, so dass im Unterdruckraum ein Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Werkzeugs entsteht. Der Unterdruckraum ist somit evakuierbar.
In einer weiteren Ausführungsform sind um den Unterdruckraum 6 mehrere an speziellen Stellen umlaufend angebrachte Unterdruckrohre 13 angebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Formunterteil mehrere Vakuumdüsen 7 für das Nestvakuum und bevorzugt eine umlaufende Vakuumnut 11 für das Randvakuum. Durch die Vakuumdüsen wird Unterdruck erzeugt, der eine in das Formunterteil eingelegte Außenschicht 9 am Formunterteil hält. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Formunterteil 20 bis 500 Vakuumdüsen pro m² auf. Die Vakuumdüsen applizieren auf die Außenschicht im Allgemeinen einen Druck, der von 0,05 bis 0,9 bar, bevorzugt von 0,3 bis 0,7 bar unter dem Atmosphärendruck außerhalb des Formwerkzeuges liegt.
Um die Außenschicht im Auslaufbereich umlaufend im Formunterteil zu fixieren, ist bevorzugt eine Vakuumnut 11 im Formwerkzeug eingebracht. Diese liegt umlaufend kurz innerhalb oder außerhalb des Kanals für den ersten Dichtkreis 1 oder ist sogar im Kanal für den ersten Dichtkreis mit eingebracht. Dieses sogenannte Randvakuum hängt im Allgemeinen an der selben Vakuumversorgung, lässt sich aber bevorzugt un- terschiedlich zum Nestvakuum steuern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Formunterteil zumindest einen mit der Außenschicht des herzustellenden Verbundelements in Kontakt stehenden Drucksensor 8. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Drucksensor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Verstärkereinrichtung, signalleitend mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
Von besonderem Vorteil ist es ferner, wenn die Steuereinrichtung geeignet ist, unter Einbeziehung des Signals des wenigstens einen Drucksensors sowie weiterer Eingangsdaten und/oder in der Steuereinrichtung bereits gespeicherter Daten Ausgangssignale zur Steuerung der Vorrichtung zu erzeugen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nur ein Drucksensor 8 dargestellt, jedoch ist es durchaus zweckmäßig, mehrere derartige Sensoren vorzusehen, um die Druckverhältnisse im Bauteil möglichst gut abbilden zu können. Mittels des Drucksensors ist an der Außenschicht 9 der Innendruck im Schaumbereich 5 messbar. Beispielsweise sind auch im Bereich der Randdichtung Drucksensoren vorgesehen, so dass anhand deren Signale ein Defekt im Bereich der Randdichtung festgestellt und lokalisiert werden kann. Zwischen den Formhälften des Formwerkzeuges sind gegebenenfalls mehrere Randspalte verteilt auf den Umfang angeordnet, die unter Umständen mit separat ansteuerbaren Randdichtungen verschließbar sind.
Der Drucksensor ist gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Verstärkereinrichtung mittels einer Signalleitung mit einer Steuereinrichtung verbunden, welche unter Einbeziehung bereits gespeicherter Daten und/oder weiterer Eingangsgrößen Ausgangsgrößen zur Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung der Verbundelemente erzeugt.
Um bei dem Herstellungsprozess vorbestimmte Temperaturkurven durchlaufen zu können, sind bevorzugt die Formteile 3, 4 mit Temperierbohrungen versehen, durch welche ein Heiz- bzw. Kühlmedium leitbar ist; gegebenenfalls sind die Formteile auch direkt beheizbar. Die Formteile sind zweckmäßigerweise getrennt voneinander temperierbar, so dass den unterschiedlichen wärmetechnischen Kenngrößen respektive der Bauteilgeometrie Rechnung getragen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Verbundelements, enthaltend

a) eine Außenschicht 9 und
b) eine Schicht aus Polyurethanschaumstoff,

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Verbundelement zusätzlich noch

c) eine Trägerschicht 10.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Verbundelemente zur Verwendung im Kraftfahrzeug-Innenbau, beispielsweise Instrumententafeln, Seiten- und Türseitenverkleidungen, Mittelkonsolen und/oder Armlehnen, Handschuhkasten, Knieschutz, Airbagdeckel, Türspiegel hergestellt, bevorzugt werden Instrumententafeln hergestellt.
Als Außenschicht 9 werden üblicherweise Materialien verwendet, die dem Verbundelement ein dekoratives Äußeres verleihen, wie beispielsweise Kunststofffolien, Kunststoffhäute, Textilien und/oder Leder. Bevorzugt werden PUR-Sprüh- oder Gieß- oder Slushhäute und/oder PVC-Slushhäute, sowie tiefgezogene Folien aus Thermoplastmaterialien verwendet. Die Dicke der Außenschicht beträgt im allgemeinen 0,6 bis 2 mm, bevorzugt von 0,8 bis 1,2 mm.
Als Polyurethanschaumstoff sind im Allgemeinen alle Polyurethanschaumstoffe, erhältlich durch Umsetzung von Isocyanaten mit Polyolen, denkbar. Bevorzugt verwendet werden Polyurethanhalbhartschaumstoffe mit einer Druckfestigkeit nach DIN 53421 von 15 bis 80 kPa, bevorzugt von 30 bis 70 kPa. Die Schicht aus Polyurethanschaumstoff weist üblicherweise eine Dicke von 1 bis 50 mm, bevorzugt von 4 bis 20 mm, auf.
Als Trägerschicht 10 kommen im Allgemeinen alle Materialien in Frage, welche die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundelements positiv beeinflussen. Beispiele hierfür sind Holzfaser-Trägerteile, glasfaserverstärkte Thermoplaste oder Duromer-Trägerteile, gegebenenfalls auch Trägerteile aus Leicht-Metall. Die Trägerelemente weisen üblicherweise eine Dicke von 1 mm bis 10 mm, bevorzugt von 1,5 mm bis 3 mm, auf.
Die Verbundelemente werden im erfindungsgemäßen Verfahren durch folgende Schritte hergestellt

(i) Einlegen der Außenschicht in das Formunterteil.

Die Außenschicht wird bei geöffnetem Formwerkzeug in das Formunterteil eingelegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Außenschicht durch Anlegen von Unterdruck mittels vorstehend beschriebenen Vakuumdüsen am Formunterteil fixiert.
Sofern ein Verbundelement mit Trägerelement hergestellt werden soll, wird in diesem Arbeitsschritt ebenfalls das Trägerelement in das Formwerkzeug eingebracht. Bevorzugt wird das Trägerelement am Formoberteil fixiert.

(ii) Einbringen von Polyurethansystemkomponenten auf die Außenschicht. Auf die eingelegte Außenschicht werden Polyurethansystemkomponenten eingebracht. Die Polyurethansystemkomponenten enthalten eine Isocyanatkomponente (ii-a) und eine Polyolkomponente (ii-b).

Als Isocyanate (ii-a) können allgemein bekannte (cyclo)aliphatische und/oder insbesondere aromatische Polyisocyanate eingesetzt werden. Zur Herstellung der Polyurethane eignen sich besonders aromatische Diisocyanate, vorzugsweise Diphenylmethandiisocyanat (MDI) und Toluylendiisocyanat (TDI). Die Isocyanate können in Form der reinen Verbindung oder in modifizierter Form, beispielsweise in Form von Urethdionen, Isocyanuraten, Allophanaten oder Biurethen, vorzugsweise in Form von Urethan- und Isocyanatgruppen enthaltenden Umsetzungsprodukten, sogenannten Isocyanat-Prepolymeren, eingesetzt werden.
Als Polyole (ii-b) werden im allgemeinen Polyetherole und/oder Polyetherole verwendet. Im Allgemeinen weisen die Polyetherpolyole eine Funktionalität von 1,9 bis 8,0, bevorzugt von 2 bis 6, besonders bevorzugt von 2 bis 4, auf. Desweiteren weisen sie eine Hydroxylzahl von 10 bis 1000 mg KOH/g, bevorzugt von 25 bis 200 mg KOH/g, auf. Ferner weisen sie bevorzugt 10 bis 100%, bevorzugt 50 bis 80%, primäre Hydroxylgruppen auf.
Als Polyetherole (ii-b) können außerdem sogenannte niedrig ungesättigte Polyetherole verwendet werden. Unter niedrig ungesättigten Polyolen werden im Rahmen dieser Erfindung insbesondere Polyetheralkohole mit einem Gehalt an ungesättigten Verbindungen von kleiner als 0,02 meq/g, bevorzugt kleiner als 0,01 meq/g, verstanden. Derartige Polyetheralkohole werden zumeist durch Anlagerung von Alkylenoxiden, insbesondere Ethylenoxid, Propylenoxid und Mischungen daraus, an mindestens difunktionelle Alkohole in Gegenwart von sogenannten Doppelmetallcyanidkatalysatoren hergestellt.
Die Polyurethansystemkomponenten können ferner Kettenverlängerungsmittel und/oder Vernetzungsmittel (ii-c) enthalten. Bei den Kettenverlängerungsmitteln handelt es sich im allgemeinen um 2-funktionelle Alkohole mit Molekulargewichten von 60 bis 499, beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol, Butandiol-1,4, Pentandiol-1,5. Bei den Vernetzungsmitteln handelt es sich um Verbindungen mit Molekulargewichten von 60 bis 499 und drei oder mehr aktiven H-Atomen, vorzugsweise Aminen und besonders bevorzugt Alkoholen, beispielsweise Glyzerin, Trimethylolpropan und/oder Pentaerythrit.
Weiterhin können die Polyurethansystemkomponenten Füll- oder Verstärkungsstoffe (ii-d) in einer Menge von 0 bis 60 Gew.-%, bevorzugt von 1 bis 30 Gew.-%, mehr bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Komponenten (ii-a), (ii-b) und gegebenenfalls (ii-c), enthalten, die im Allgemeinen zu einer Verstärkung des Polyurethans und damit zu einer Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften führen. Bevorzugt werden die Füll- oder Verstärkungsstoffe in Form von Fasern und/oder Plättchen eingesetzt.
Ferner können die Polyurethansystemkomponente Katalysatoren (ii-e) enthalten. Dies sind Verbindungen, die die Reaktion der Komponente (ii-a) mit der Komponente (ii-b) beschleunigen. In Frage kommen beispielsweise tertiäre Amine und/oder organische Metallverbindungen, insbesondere Zinnverbindungen. Beispielsweise können als Katalysatoren folgende Verbindungen eingesetzt werden: Triethylendiamin, Aminoalkyl- und/oder Aminophenyl-imidazole und/oder Zinn-(II)salze von organischen Carbonsäuren. Katalysatoren werden im Allgemeinen in einer Menge von 0,1 bis 5 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der Komponenten (ii-b) und gegebenenfalls (ii-c) eingesetzt.
Schließlich können die Polyurethansystemkomponente Treibmittel (ii-f) enthalten. Als Treibmittel können zur Herstellung von geschäumten Produkten (ii) allgemein bekannte chemisch oder physikalisch wirkende Verbindungen eingesetzt werden. Bevorzugt wird nur Wasser als Treibmittel eingesetzt.
Im allgemeinen wird die Komponente (ii-a) als Isocyanatkomponente und die Komponente (ii-b), gegebenenfalls im Gemisch mit den Komponenten (ii-c) bis (ii-f) als Polyolkomponente bezeichnet.
Zur Herstellung von des aus der Reaktion der Polyurethansystemkomponenten resultierenden Polyurethanschaumstoffs werden im Allgemeinen die Polyurethansystemkomponenten (ii-a), (ii-b) und gegebenenfalls (ii-c) und (ii-e) über übliche Hoch- oder Niederdruckmischköpfe vermischt in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht (d. h. in das Formwerkzeug eingebracht), dass das Äquivalenzverhältnis von NCO-Gruppen zur Summe der reaktiven Wasserstoffatome 1:0.8 bis 1:1.25, vorzugsweise 1:0.9 bis 1:1.15 beträgt. Ein Verhältnis von 1:1 entspricht hierbei einem NCO-Index von 100.
Das Einbringen der Polyurethansystemkomponenten erfolgt üblicherweise in das offene Werkzeug. In diesem Fall ist das Formwerkzeug vor Verfahrensschritt iii) zu schließen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Einbringen der Polyurethansystemkomponenten in die geschlossene Form. Hierzu erfolgt bevorzugt der Anspritzpunkt über eine Bohrung im Werkzeug-Oberteil oder durch einen zwischen den Werkzeughälften befindlichen Filmanguss. Grundsätzlich kann sowohl zunächst eingespritzt (d. h. die Sytemkomponenten eingebracht) und dann evakuiert werden, als auch umgekehrt. Bevorzugt ist der zweite Dichtkreis 2 hierbei von Anfang an geschlossen. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist eine schnelle Reaktionszeit, wodurch eine kürzer Entformzeit für das resultierende Verbundelement erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Verbundelemente eine Schaumstoffdicke von 1 bis 50 mm, bevorzugt 2 bis 20 mm, besonders bevorzugt 8 bis 12 mm auf.

(iii) Schließen des zweiten Dichtkreises 2.

Nachdem in einer möglichen Ausführungsform die Polyurethansystemkomponenten bei offenem Werkzeug eingebracht worden sind wird dieses erst vollständig geschlossen und dann der zweite Dichtkreis geschlossen. Üblicherweise erfolgt das Schließen des zweiten Dichtkreises innerhalb von 0,1 bis 10 Sekunden, bevorzugt 1 bis 5 Sekunden, nachdem der Einbringvorgang und der Schließvorgang des Werkzeugs abgeschlossen ist.

(iv) Evakuieren des Unterdruckraums 6 und der Werkzeugkavität 5.

Nachdem der zweite Dichtkreis geschlossen wurde, wird der Druck im Unterdruckraum 6 gesenkt. Da der erste Dichtkreis 1 zu diesem Zeitpunkt noch geöffnet ist, wird der Druck in der Werkzeugkavität 5 ebenfalls gesenkt. Das Absenken des Drucks im Unterdruckraum kann beispielsweise mittels eines Unterdruckrohrs 13 (bzw. mittels mehrerer Unterdruckrohre), welches beispielsweise durch das Formoberteil verlaufen kann, erfolgen. Das Absenken des Druckes erfolgt im allgemeinen innerhalb von 0,1 bis 10 Sekunden, bevorzugt 1 bis 5 Sekunden, nachdem der zweite Dichtkreis geschlossen wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Unterdruckraum (und somit auch in der Werkzeugkavität) ein Absolutdruck von 0,1 bis 0,9 bar, mehr bevorzugt von 0,2 bis 0,8 bar, besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,8 bar eingestellt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Unterdruckraum nur soweit evakuiert, dass der Absolutdruck im Unterdruckraum (und somit auch in der Werkzeugkavität) größer ist, als der Druck, mit dem die Außenschicht mittels Vakuumdüsen an die Formunterseite gesaugt wird. Besonders bevorzugt ist hierbei, dass der Absolutdruck im Unterdruckraum (und somit auch in der Werkzeugkavität) um 0,005 bis 0,5, mehr bevorzugt von 0,05 bis 0,4, insbesondere um 0,3, größer ist als der Druck, mit dem die Außenschicht mittels Vakuumdüsen an die Formunterseite gesaugt wird.

(v) Reagieren lassen des Polyurethansystems.

Nachdem der Druck wie vorstehend beschrieben abgesenkt wurde, lässt man die Polyurethansystemkomponenten reagieren. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Reaktion im streng chemischen Sinne schon beim Vermischen der Komponenten beginnt.
Die Umsetzung zu dem resultierenden Polyurethanschaumstoff erfolgt üblicherweise bei einer Formtemperatur von 30°C bis 80°C.
Bei der Reaktion bildet sich aus den flüssigen Polyurethansystemkomponenten ein fester Schaumstoff. Sofern im Formwerkzeug ein Trägerelement (c) eingelegt wurde, hängt es von der Art und Form des Trägerelements ab, ob der aufsteigende Polyurethanschaum das Trägerelement umschließt (d. h. einbettet), oder ob der Schaum nur an das Trägerelement angrenzt und das Trägerelement somit eine Trägerschicht bildet.

(vi) Schließen des ersten Dichtkreises 1, bevor das reagierende Polyurethansystem aus der Werkzeugkavität austreten kann.

Der erste Dichtkreis wird geschlossen, bevor das reagierende Polyurethansystem soweit aufgeschäumt ist, dass es aus der Werkzeugkavität austreten kann. Üblicherweise erfolgt das Schließen des ersten Dichtkreises 0 bis 100 Sekunden, bevorzugt 2 bis 50 Sekunden, nach dem Schließen des Werkzeuges oder nach Beendigung des Ein- spritzens von Polyurethansystemkomponenten in das geschlossene Werkzeug.
Das Vakuum im Unterdruckraum kann mit Schließen der letzten Dichtung des Dichtkreises 1 abgeschaltet werden. Es ist jedoch möglich, das Vakuum bis zum erfolgten Entgasen eingeschaltet zu lassen oder schon vor dem Schließen der Dichtungen abzuschalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Abmessungen der Außenhaut so gewählt, dass diese über den ersten Dichtkreis ragt. Beim Schließen des ersten Dichtkreises drückt dieser die Außenhaut an das Formoberteil oder an das Trägerelement, so dass das resultierende Verbundelement von der Außenhaut abgeschlossen wird und kein Polyurethanschaumstoff austritt.

(vii) Aushärten lassen des Polyurethanschaumstoffs und Öffnen des Formwerkzeugs. Üblicherweise lässt man den Polyurethanschaumstoff 0,5 bis 5 Minuten, bevorzugt 1 bis 2 Minuten, aushärten, bevor die Form geöffnet und das resultierende Verbundelement entnommen wird.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich im allgemeinen Zykluszeiten von 1 bis 15 Minuten, bevorzugt von 2 bis 5 Minuten. Unter Zykluszeit wird hierbei ein kompletter Durchlauf, d. h. die Zeit vom Einlegen der Außenschicht bis zur Entnahme des fertigen Bauteils verstanden.
Schritt (vii) im erfindungsgemäßen Verfahren umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Teilschritte:

(vii-1) Aushärten lassen des Polyurethanschaumstoffs,
(vii-2) Öffnen des ersten Dichtkreises,
(vii-3) Entgasung des Polyurethanschaumstoffs und
(vii-4) Öffnen der Form und Entnahme des Bauteils.

Die Entgasung des Polyurethanschaumstoffs (Teilschritt vii-3) wird im Allgemeinen durch Aufrechterhaltung oder erneutes Anlegen des Unterdrucks im Unterdruckraum, bevorzugt über eine Dauer von 0,5 bis 5 Sekunden, insbesondere von 1 bis 3 Sekunden, bewirkt.
Das Entgasen über den ersten Dichtkreis kann alternativ auch ohne Aufrechterhaltung des Unterdruckes im Unterdruckraum erfolgen, es kann hierzu entweder der zweite Dichtkreis gleichzeitig geöffnet werden oder die Belüftung über das Unterdruckrohr (beispielsweise mittels Bypass-Ventil) erfolgen.
Nach dem Entgasen wird üblicherweise zur Erzielung einer optimalen Bauteilkontur eine Vorentriegelung durchgeführt, hierzu werden die Formteilhälften ca. 3 mm auseinandergefahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:
Es werden Fehler im Polyurethanschaumstoff, wie z. B. Lufteinschlüssen, Zuglunker, Gasblasen oder nicht ausgeschäumte Stellen im Bauteil vermieden, somit kommt es zu wesentlich weniger Ausschuss und/oder Nacharbeit.
Die Schaumhaftung auf Dekor- und Trägeroberfläche, vor allem im Randzonenbereich, wird durch kürzere Fließzeit deutlich verbessert (Schaum ist im frühen Reaktionsstadium polarer).
Die Bauteildicke kann aufgrund des verbesserten Fließverhaltens des Polyurethansystems reduziert werden, komplexere Bauteilgeometrien sind machbar.
Es ergibt sich eine verbesserte Dichteverteilung im Bauteil, vor allem bei Dickensprüngen und an Stellen, die weit von der Eintragsstelle entfernt sind.
Die Zellstruktur wird verbessert.
Es ist eine Dichtereduktion möglich, d. h. es ist eine geringere Schaumeintragsmenge erforderlich.
Die Zykluszeit wird reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Einbringen des Polyurethansystems in ein geschlossenes Formwerkzeug, dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich verbessert.
Es ergibt sich ein breiteres Verarbeitungsfenster, zudem kann dieses durch Einsatz unempfindlicher Polyurethansysteme noch zusätzlich erweitert werden.
Ferner muss beim Einbringen des Polyurethansystems in das Formwerkzeug nicht auf eine exakte Einschäumzeile geachtet werden Je nach Bauteil kann sogar ein Punktschuss auf eine Stelle erfolgen
Aufgrund des geringeren Luftdruckes in der Werkzeugkavität können beim Einsatz von Polyurethansystemen mit einem geringen Wassergehalt, bevorzugt von 1 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Verbundelemente mit einer formverschäumten Dichte im Polyurethanschaumstoff von 80 bis 140 g/l, besonders bevorzugt von 100 bis 120 g/l, erhalten werden.
Gegenstand der Erfindung sind daher Verbundelemente, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Polyurethansystem einen Wassergehalt von 1 bis 3 Gew.-%, bevorzugt von 1,5 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethansystems, aufweist und der erhaltene Polyurethanschaumstoff eine formverschäumte Dichte von 80 bis 140 g/l, bevorzugt von 100 bis 120 g/l, besitzt.
Insbesondere sind Gegenstand der Erfindung Verbundelemente, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Polyurethansystem einen Wassergehalt von 2,5 bis 3 Gew.-%, bevorzugt von mehr als 2,5 bis 2,8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethansystems, aufweist und dass der erhaltene Polyurethanschaumstoff eine formverschäumte Dichte von 80 bis 110 g/l, bevorzugt von 90 bis 100 g/l, besitzt.
Des weiteren sind insbesondere Gegenstand der Erfindung Verbundelemente, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Polyurethansystem einen Wassergehalt von 2,0 bis weniger als 2,5 Gew.-%, bevorzugt von mehr als 2,0 bis 2,4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethansystems, aufweist und dass der erhaltene Polyurethanschaumstoff eine formverschäumte Dichte von mehr als 110 bis 140 g/l, bevorzugt von 115 bis 130 g/l, besitzt.
In diesem Zusammenhang wird unter Gesamtgewicht des Polyurethansystems das Gewicht der Komponenten (ii-a) bis (ii-f) verstanden, jedoch ohne Verstärkungsstoffe, d. h. ohne Komponente (ii-d).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist im erfindungsgemäßen Verbundelement der Polyurethanschaumstoff eine Druckfestigkeit nach DIN 53421 von 15 bis 80 kPa auf.
Die erfindungsgemäßen Verbundelemente werden im Allgemeinen im Kraftfahrzeug- Innenbau, bevorzugt als Instrumententafeln, Seitenverkleidungen, Mittelkonsolen und/oder Armlehnen verwendet. Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Instrumententafel, enthaltend das erfindungsgemäße Verbundelement.

Claims

Formwerkzeug zur Herstellung von Verbundelementen, umfassend ein Formunterteil (3) und ein Formoberteil (4), einen ersten Dichtkreis (1) und einen zweiten Dichtkreis (2), wobei im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Werkzeugkavität (5) gebildet wird, die durch den umlaufenden ersten Dichtkreis (1) begrenzt wird und wobei umlaufend um die durch den ersten Dichtkreis (1) begrenzte Werkzeugkavität (5) ein evakuierbarer Unterdruckraum (6) gebildet wird, der durch den ersten Dichtkreis (1) und zweiten Dichtkreis (2) begrenzt wird.
Formwerkzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formunterteil (3) Vakuumdüsen (7) für das Nestvakuum und eine umlaufende Vakuumnut (11) für das Randvakuum enthält.
Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formunterteil (3) zumindest einen mit der Außenschicht (9) des herzustellenden Verbundelements in Kontakt stehenden Drucksensor (8) enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundelements, enthaltend a) eine Außenschicht (9) und b) eine Schicht aus Polyurethanschaumstoff, mittels eines Formwerkzeugs, umfassend ein Formunterteil (3) und ein Formoberteil (4), einen ersten Dichtkreis (1) und einen zweiten Dichtkreis (2), wobei im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Werkzeugkavität (5) gebildet wird, die durch den umlaufenden ersten Dichtkreis (1) begrenzt wird und wobei umlaufend um die durch den ersten Dichtkreis (1) begrenzte Werkzeugkavität (5) ein evakuierbarer Unterdruckraum (6) gebildet wird, der durch den ersten Dichtkreis (1) und zweiten Dichtkreis (2) begrenzt wird, umfassend die Schritte: (i) Einlegen der Außenschicht (9) in das Formunterteil (3), (ii) Einbringen von Polyurethansystemkomponenten auf die Außenschicht (9), (iii) Schließen des zweiten Dichtkreises (2), (iv) Evakuieren des Unterdruckraums (6) und der Werkzeugkavität (5), (v) Reagieren lassen des Polyurethansystems, (vi) Schließen des ersten Dichtkreises (1), bevor das reagierende Polyurethansystem aus der Werkzeugkavität (5) austreten kann, und (vii) Aushärten lassen des Polyurethanschaumstoffs und Öffnen des Formwerkzeugs.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (iv) im Unterdruckraum (6) und in der Werkzeugkavität (5) ein Absolutdruck von 0,1 bis 0,9 bar eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (i) die eingelegte Außenschicht (9) durch Unterdruck, welchen eine oder mehrere Vakuumdüsen (7), die das Formunterteil (3) enthält, erzeugen, am Formunterteil (3) fixiert wird und dass im Schritt (iv) der Unterdruckraum (6) und die Werkzeugkavität (5) nur soweit evakuiert werden, dass der Absolutdruck im Unterdruckraum (6) und in der Werkzeugkavität (5) größer ist als der Druck, mit dem die Außenschicht (9) mittels Vakuumdüsen (7) am Formunterteil (3) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdruck im Unterdruckraum (6) und in der Werkzeugkavität (5) um 0,05 bis 0,5 bar größer ist als der Druck, mit dem die Außenschicht (9) mittels Vakuumdüsen (7) am Formunterteil (3) fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (vii) folgende Teilschritte umfasst: (vii-1) Aushärten lassen des Polyurethanschaumstoffs, (vii-2) Öffnen des ersten Dichtkreises (1), (vii-3) Entgasung des Polyurethanschaumstoffs und (vii-4) Öffnen der Form.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verbundelement um eine Instrumententafel handelt.
Verbundelement, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Polyurethansystem einen Wassergehalt von 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyurethansystems, aufweist und der erhaltene Polyurethanschaumstoff eine formverschäumte Dichte von 80 bis 140 g/l besitzt.
Verwendung eines Verbundelements nach Anspruch 10 im Kraftfahrzeug-Innenbau, bevorzugt als Instrumententafel, Seiten-, Türseitenverkleidung, Mittelkonsole und/oder Armlehne, Handschuhkasten, Airbagdeckel, Knieschutz, Türspiegel.