DE102004021544A1

DE102004021544A1 - Verfahren eines Polyurethan-Sprühauftrags unter Verwendung intern gemischter Komponenten, welche mit einem flachen fächerförmigen Sprühnebel aufgetragen werden

Info

Publication number: DE102004021544A1
Application number: DE102004021544A
Authority: DE
Inventors: Joseph T. Howell Donatti; Andrew P. Owosso Mellentine; Glenn D. Holly Williams; Glenn A. Chesterfield Cowelchuk
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: International Automotive Components Group North America Inc
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2024-05-04
Also published as: DE102004021544B4; GB2402091A; DE102004021544B8; US20040222310A1; GB0409469D0; GB2402091B

Abstract

Verfahren zum Sprühformen von Artikeln mit einer Düse, welche in einem flachen fächerförmigen Sprühmuster sprüht. Das Verfahren kann verwendet werden, um Artikel aus einer Polyurethan-Zusammensetzung auszubilden. Wiederholte Striche der Düse, welche teilweise überlappen, tragen eine Ablagerung in einer Folge paralleler Bahnen auf. Ein primärer flacher fächerförmiger Sprühnebel wird durch ein Paar sekundärer Sprühnebel flankiert, welche sich außerhalb des primären Sprühnebels befinden. Die sekundären Sprühnebel ermöglichen es, die Ränder benachbarter Ablagerungen dünn auslaufend auszubilden, und liefern einen Sprühauftrag, welcher eine einheitliche Dicke aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sprühformverfahren für Polyurethanartikel unter Verwendung einer Sprühdüse, welche ein flaches, fächerförmiges Sprühmuster gerichtet abstrahlt.

Eine Sprühformung von Artikeln mit einem Polyurethan-Elastomer ist ein relativ neues Verfahren, welches vielversprechend für das Herstellen langlebiger Bauteile hoher Güte ist. Bauteile, welche mit dem Polyurethan-Sprühformverfahren hergestellt werden können, umfassen sowohl Kraftfahrzeug-Innenbauteile als auch andere Bauteile. Einige Kraftfahrzeug-Innenbauteile, welche unter Verwendung eines Polyurethanfilms bzw. einer Polyurethanschicht hergestellt werden können, umfassen Armaturenbrettbeläge, Konsolenbeläge, Türinnenfutter, Handschuhfachbeläge, Bodenmatten, Lenksäulenbezüge und Kniepolster und ähnliches.

Frühere Versuche, Polyurethan-Bauteile durch ein Sprühformverfahren herzustellen, erforderten teure Sprühdüsenmündungen, welche verwendet werden, um ein konisches Sprühmuster auszubilden. Diese ausgeklügelten Sprühdüsenmündungen erfordern zusätzlich dazu, daß diese teuer sind, häufige Wartung und Reinigung, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Ein konisches Sprühmuster ergibt eine im Querschnitt geringfügig muldenförmige Sprühnebelablagerung, wobei ein Abschnitt in der Nähe der Außenränder der Sprühnebelablagerung dicker als der mittlere Abschnitt ist.

Die 1, 2 und 6 sind schematische Darstellungen von Sprühnebelablagerungen von einer Konus-Sprühpistole. Um einen kontinuierlichen Film auszubilden, müssen mehrere Sprühstriche unmittelbar nebeneinander abgelagert werden. Eine vermehrte Ansammlung der Sprühnebelablagerung an den Außenrändern jeder Ablagerung, welche durch einen Sprühstrich erzeugt wird, kann zu einem gerippten Aussehen an der Rückseite der durch Sprühen aufgetragenen Schicht führen. Obgleich das gerippte Aussehen auf der Formseite bzw. der äußeren Oberfläche eines Bauteils nicht generell sichtbar ist, kann dies in manchen Fällen als Bereich unterschiedlicher Dicke und möglicherweise unterschiedlicher Härte, verglichen mit den anderen Abschnitten des Films, erkennbar sein. Filmdickeschwankungen können Probleme verursachen, welche eine Befestigung an Kunststoff- und Metallhalterungen betreffen, und können sich ferner nachteilig auf die Schaumdickegleichmäßigkeit auswirken.

Bei konischen Sprühnebeltypen ist es manchmal schwierig, enge Bereiche zu erreichen, welche ein Tiefe-Breite-Verhältnis von weniger als 2 zu 1 aufweisen. Beispielsweise können schwierig zu sprühende Abschnitte von Bauteilen eine Armaturenbrettrandauswölbung, einen Antibeschlagsvorrichtungsbereich an einem Armaturenbrett oder eine Klimatisierungsluftöffnung umfassen, da diese eine Sprühformung stark vertiefter Bereiche erfordern.

Konische Sprühnebel führen generell zu höheren Mengen von Sprühüberschuß. Der Sprühüberschuß kann sich in dem Bereich von 15% des gesprühten Volumens befinden. Ansammlungen von Sprühüberschuß außerhalb des verwendbaren Bereichs einer Form vergeudet Material, belastet Luftleitsysteme und erzeugt eine häßliche Unordnung in Sprühständen.

Konische Sprühmuster des Stands der Technik erfordern ein Hochdrucksprühzubehör, welches geeignet ist, bei 1000 bis 2000 psi (rund 6,9 bis 13,8 MPa) zu arbeiten. Konische Sprühmuster bei derartigen Drücken können verwendet werden, um Polyurethan mit einer Geschwindigkeit von 16 bis 24 Gramm pro Sekunde zu sprühen. Verfahren, welche höhere Drücke erfordern, erfordern generell höhere Kapitalinvestitionen. Eine Auftragsgeschwindigkeit von 16 bis 24 Gramm pro Sekunde ist die Norm, und eine höhere Produktivität kann erreicht werden, wenn die Sprühauftragsgeschwindigkeit erhöht werden kann, ohne Druck, Geschwindigkeit und Turbulenz des Sprühnebels zu erhöhen.

Diese und weitere Probleme werden durch die Erfindung des Anmelders, wie unten zusammengefaßt, behandelt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Sprühauftrag von Polyurethan, welches verwendet wird, um eine Sprühformung eines Artikels durchzuführen, geschaffen. Das Verfahren umfaßt das Leiten einer Polyurethan-Zusammensetzung zu einer Sprühdüse, welche die Polyurethan-Zusammensetzung in einem flachen fächerförmigen Muster auf eine Formfläche sprüht. Eine Spur aus Polyurethan wird auf der Formfläche aufgetragen, wenn die Düse und die Formfläche auf einer vorbestimmten Bahn gegeneinander bewegt werden. Ein Film wird durch teilweises Überlappen von Spuren, welche in mehreren Strichen der Düse gegen die Formfläche aufgetragen werden, erzeugt. Die ausgebildete Filmschicht weist im Vergleich zu Verfahren des Stands der Technik, welche konische Sprühmuster verwenden, aufgrund des flachen fächerförmigen Sprühmusters eine im wesentlichen einheitliche Dicke auf.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung kann die Polyurethan-Zusammensetzung mit einem primären flachen fächerförmigen Muster, wie zuvor beschrieben, plus einem Paar von sekundären Sprühmustern, welche außerhalb des breiten Abschnitts des flachen fächerförmigen Sprühmusters ausgebildet werden, gesprüht werden. Die sekundären Sprühmuster können es ermöglichen, die Ränder des Sprühmusters an benachbarten überlappenden Spuren dünn auslaufend auszubilden.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, welche die Bahn der Bewegung der Düse und der Formfläche gegeneinander betreffen, ist die Bahn, welche durchlaufen wird, eine, welche durch parallele Streifen gekennzeichnet ist, welche etwa 30% mindestens eines benachbarten Streifens überlappen. Die Bahn, welche in dem Bewegungsschritt durchlaufen wird, kann in mindestens zwei Schichten wiederholt werden, wobei die parallelen Streifen in jeder der Schichten rechtwinklig zu den parallelen Streifen in einer tieferen Schicht angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung im Hinblick auf die gesprühte Zusammensetzung kann die Zusammensetzung eine zweikomponentige aromatische Polyurethanmischung aus Polyen und Isocyanat sein. Alternativ kann die Polyurethanmischung ein aliphatisches Polyurethan sein. Die zweikomponentige Mischung wird zuerst in der Mischkammer des Hochdruckmischkopfs gemischt und sodann intern in einer Sprühauftragsvorrichtung gemischt, welche ein helixförmiges Mischelement aufweist, welches das Polyol und das Isocyanat mischt, bevor diese durch die Sprühdüse gesprüht werden. Sodann wird die Mischung auf eine Forminnenbeschichtung gesprüht, welche vorher auf der Formfläche aufgetragen wurde, um dem fertigen Produkt Farbe und Glanz zu verleihen.

Die Polyurethanmischung kann mit einem Druck, welcher von 400 psi bis 1200 psi (rund 2,76 bis 8,28 MPa) reicht, durch die Düse gesprüht werden, welche verwendet wird, um das flache fächerförmige Sprühmuster auszubilden. Verminderungen des Drucks und der Sprühgeschwindigkeit führen zu geringerem Sprühüberschuß, verglichen mit konischen Sprühmustern.

Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind bei Betrachtung der beigefügten Zeichnung und der folgenden genauen Beschreibung einfach ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine grafische perspektivische Ansicht eines Sprühformverfahrens des Stands der Technik, welches eine Düse verwendet, welche ein konisches Sprühmuster liefert;
2 ist eine Querschnittsansicht gemäß der Linie 2-2 in 1;
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Sprühformverfahrens der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Düse, welche ein flaches fächerförmiges Sprühmuster liefert;
4 ist eine Querschnittsansicht gemäß der Linie 4-4 in 3;
5 ist eine Querschnittsansicht der Sprühschicht, welche durch die flache fächerförmige Düse, welche erfindungsgemäß hergestellt ist, bei einer Folge von Strichen abgelagert wird;
6 ist eine Querschnittsansicht der Sprühschicht, welche durch das Verfahren von 1 in einer Folge von Strichen abgelagert wird;
7A ist eine Querschnittsansicht einer unbeweglichen Mischvorrichtung und einer in einer Linie angeordneten Sprühdüse, welche erfindungsgemäß hergestellt sind;
7B ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Gestaltung für eine Sprühdüse, welche eine Düsenöffnung mit einer Winkelausrichtung von 90 Grad aufweist;
8 ist eine Endansicht der unbeweglichen Mischvorrichtung und der Düse, welche in 7 dargestellt sind;
9 ist eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Düse zum Ausbilden eines flachen fächerförmigen Sprühmusters;
10 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Düsenmündung, welche bestimmte Maße zum Ausbilden eines flachen fächerförmigen Sprühnebels darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS (DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE)
In den 1 und 2 wird das Ausbildungsverfahren des konischen Sprühnebels des Stands der Technik generell durch die Bezugsziffer 10 angezeigt. Eine Auftragsvorrichtung 12 eines konischen Sprühnebels sprüht einen konischen Sprühnebel 14 auf eine Form 16. Der konische Sprühnebel 14 bildet eine Sprühnebelablagerung 18 mit einer teilweise torusförmigen Gestalt aus, wenn sich die Auftragsvorrichtung 12 gegen die Form 16 bewegt. Es können sich die Form 16 oder die Auftragsvorrichtung 12 oder beide mit dem Ergebnis bewegen, daß die Sprühnebelablagerung 18 in einer linienartigen Weise verteilt wird. In 2 neigt die Sprühnebelablagerung 18 des Stands der Technik, welche mit einem konischen Sprühmuster ausgebildet wird, zum Erzeugen einer Ablagerung mit einer umgekehrt gekrümmten Verteilung, welche dicke äußere Abschnitte 20 aufweist, welche sich an gegenüberliegenden Seiten eines mittleren Abschnitts 20 entwickeln.
In den 3 und 4 wird ein flaches fächerförmiges Sprühformverfahren generell durch die Bezugsziffer 30 angezeigt. Eine Auftragsvorrichtung 32 eines flachen fächerförmigen Sprühnebels strahlt einen flachen fächerförmigen Sprühnebel 34 gerichtet zu einer Form 36 bzw. einer Formfläche hin ab, auf welcher eine Sprühnebelablagerung 38 aufgetragen wird. Die Sprühauftragsvorrichtung 32 und die Form 36 bewegen sich gegeneinander, wobei eine davon oder beide beweglich sind. Die Auftragsvorrichtung 32 eines flachen fächerförmigen Sprühnebels trägt eine primäre Sprühnebelablagerung 40 auf der Form 36 auf. Sekundäre Sprühnebelablagerungen 42 werden intern durch die Auftragsvorrichtung 32 eines flachen fächerförmigen Sprühnebels, welche einen sekundären Sprühnebel 44 auf jeder Seite der primären Sprühnebelablagerung 40 aufsprüht, ausgebildet. Die primäre Sprühnebelablagerung 40 wird in einer generell rechteckigen Gestalt mit einer langen Seite und einer kurzen Seite abgestrahlt. Die sekundäre Sprühnebelablagerung 42 wird außerhalb der kurzen Seiten der primären Sprühnebelablagerung 40 ausgebildet, wie in 4 dargestellt.
In 5 ist ein Vorteil des flachen fächerförmigen Sprühverfahrens dargestellt, wobei ein verbessertes dünnes Auslaufen des Urethan-Fächermusters eine gleichmäßigere Verteilung von Polyurethan auf der Formfläche liefert. Das Produkt mehrerer Sprühstriche ist in Querschnitt dargestellt, wobei eine primäre Sprühnebelablagerung 40 und zwei sekundäre Sprühnebelablagerungen 42 in einer überlappenden Beziehung gesprüht werden. Das Überlappungsausmaß kann schwanken. Eine annehmbare Überlappung wurde jedoch mit einer Überlappung von 30% zwischen benachbarten Sprühstrichen erreicht. Es wird angenommen, daß dies zwischen einer Überlappung von 10% bis 30% schwanken kann. Bei der untersuchten und dargestellten Düse jedoch erzeugt die Überlappung von 30% eine gleichmäßige Verteilung eines Sprühelastomers auf der Formfläche 36.
In 6 ist das Ergebnis mehrerer Striche unter Verwendung des konischen Sprühformverfahrens des Stands der Technik, welches durch die oben erwähnte Bezugsziffer 10 gekennzeichnet wird, dargestellt, wobei die Sprühnebelablagerung 18 aus einem mittleren Abschnitt 22, welcher durch dicke äußere Abschnitte 20 flankiert wird, besteht. Wenn überlappende Striche ausgeführt werden, neigen zwei dicke äußere Abschnitte 20 benachbarter Sprühnebelablagerungen 18 dazu, einander zu überlappen und eine ungleichmäßige Verteilung zu erzeugen, welche Polyurethan vergeudet und unerwünschte Schwankungen der Dicke des Films liefert.
In den 7A und 8 ist dargestellt, daß eine Auftragsvorrichtung 32 eines flachen fächerförmigen Sprühnebels eine Mischkammer 50 umfaßt, welche ein helixförmiges Mischelement 52 umschließt. Die Mischkammer 50 ist mit dem Düsenhauptkörper 54 verbunden. Eine Düsenmündung 56 ist an dem Düsenhauptkörper 54 ausgebildet und wird unten genauer beschrieben. Es ist ein Kanal 58 in dem Düsenhauptkörper 54 ausgebildet, durch welchen die Polyurethan-Zusammensetzung bzw. eine flüssige Reaktionsmischung zu der Düsenmündung 56 geleitet wird. Es ist ein Fächerform-Sprühschlitz 60 an dem Ende der Düsenmündung 56 ausgebildet, welcher das Polyurethan gerichtet als flachen fächerförmigen Sprühnebel 34 abstrahlt.
In 7B kann die Richtung des flachen fächerförmigen Sprühmusters geändert werden, um es zu vereinfachen, die Manipulation der Sprühpistole durch den Roboterarm zu programmieren oder es zu vereinfachen, schwer zugängliche Abschnitte einer Form zu erreichen. 7A stellt eine geradlinig zu durchlaufende Düsenmündung dar, während sich 7B auf eine 90-Grad-Mündung bezieht. Andere Sprühwinkelrichtungen können durch geeignetes Krümmen des Mischstabs, um jede erwünschte Sprührichtung von 0 bis 90 Grad zu erreichen, erreicht werden.
In 9 ist die Struktur des Düsenhauptkörpers 54 und der Düsenmündung 56 genauer dargestellt. Der Düsenhauptkörper umfaßt einen Kanal 58, welcher durch den Düsenhauptkörper 54 und in die Düsenöffnung 56 hinein verläuft. Der Fächerform-Sprühschlitz 60 ist in der Düsenmündung 56 vorgesehen. Es sind Gewinde 62 an dem Düsenhauptkörper 54 ausgebildet, welche verwendet werden, um den Düsenhauptkörper an der Mischkammer 50 zu befestigen. Es ist ein Winkelschnittschlitz 64 an der Basis des Fächerform-Sprühschlitzes 60 ausgebildet, welcher vorgesehen ist, diesen Bereich des Sprühnebels zu verbessern und ferner die Eignung zu verbessern, Sprühnebelablagerungen von benachbarten Strichen dünn auslaufend miteinander zu verbinden.
In 10 sind Maße der Düsenmündung 56 schematisch dargestellt, wobei die Schlitzbreite das Maß A ist. Die Schlitztiefe ist das Maß B. Der Kanaldurchmesser ist das Maß C. Die Kanaltiefe ist das Maß D, und der Schnittwinkel ist das Maß E. Auf Basis von Versuchsdurchgängen des flachen fächerförmigen Sprühformverfahrens wurden die Maße in der folgenden Tabelle als die besten Maße und als erwarteter bevorzugter Maßbereich für die Bedingungen des Versuchs bestimmt. Das beste Maß ist in der dritten Spalte aufgelistet, und der Maßbereich, welcher gegenwärtig für annehmbar gehalten wird, ist in der vierten Spalte dargestellt.
Obgleich Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsbeispiele nicht sämtliche möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Stattdessen sind die Ausdrücke, welche in der Beschreibung verwendet werden, Ausdrücke der Beschreibung statt der Begrenzung, und es ist zu ersehen, daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Prinzip und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Sprühauftrag von Polyurethan zum Sprühformen eines Artikels: Leiten einer Polyurethan-Zusammensetzung zu einer Sprühdüse; Sprühen der Polyurethan-Zusammensetzung in einem flachen fächerförmigen Muster auf eine Formfläche, um eine einzelne Spur aus Polyurethan auf der Formfläche aufzutragen; Bewegen der Düse und der Formfläche gegeneinander auf einer geeigneten Bahn, um eine Filmschicht zu erzeugen, wobei mehrere teilweise überlappende Spuren in mehreren Strichen der Düse gegen die Form aufgetragen werden, wodurch eine Filmschicht ausgebildet wird, welche eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Sprühschritts die Polyurethan-Zusammensetzung ferner in einem Paar von sekundären Sprühmustern gesprüht wird, welche außerhalb des breiteren Abschnitts des flachen fächerförmigen Sprühmusters ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bahn, welche in dem Bewegungsschritt durchlaufen wird, eine Bahn ist, welche parallele Streifen aufweist, welche an mindestens einem benachbarten Streifen um etwa 10 bis 30% überlappen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Bahn, welche in dem Bewegungsschritt durchlaufen wird, in mindestens zwei Schichten wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zwei Schichten ausgerichtet sind, wobei die parallelen Streifen in jeder der Schichten rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zwei Schichten ausgerichtet sind, wobei die parallelen Streifen in jeder der Schichten parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Sprühschritts die Polyurethan-Zusammensetzung ferner in einem Paar von sekundären Sprühmustern gesprüht wird, welche außerhalb des breiteren Abschnitts des flachen fächerförmigen Sprühmusters ausgebildet werden, und die sekundären Sprühmuster in einer Bahn aufgetragen werden, welche parallele Streifen aufweist, wobei die sekundären Sprühmuster das flache fächerförmige Sprühmuster mindestens eines benachbarten Streifens überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polyurethan-Zusammensetzung eine zweikomponentige aromatische Polyurethanmischung aus Polyen und Isocyanat ist, welche in einer Sprühauftragsvorrichtung, welche ein helixförmiges Mischelement aufweist, welche das Polyen und das Isocyanat mischt, bevor diese durch die Sprühdüse gesprüht werden, intern gemischt werden.
Verfahren zum Ausbilden einer Polyurethanschicht auf einer Oberfläche, umfassend: Sprühen einer flüssigen Reaktionsmischung, welche Polyen und Isocyanat umfaßt, wobei die Mischung in Gestalt eines flachen fächerförmigen Sprühmusters auf eine Formfläche gesprüht wird, um eine Spur der Mischung auf der Formfläche aufzutragen; und Bewegen der Düse gegen die Formfläche auf einer Bahn, welche eine Vielzahl paralleler benachbarter Streifen umfaßt, welche teilweise überlappen, wodurch eine Schicht ausgebildet wird, welche eine relativ gleichmäßige Dicke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die flüssige Reaktionsmischung ferner in einem Paar von sekundären Sprühmustern gesprüht wird, welche außerhalb des breiteren Abschnitts des flachen fächerförmigen Sprühmusters ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Bahn, welche in dem Bewegungsschritt durchlaufen wird, eine Bahn ist, welche parallele Streifen aufweist, welche an mindestens einem benachbarten Streifen um etwa 10 bis 30% überlappen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bahn, welche in dem Bewegungsschritt durchlaufen wird, in mindestens zwei Schichten wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Sprühen der flüssigen Reaktionsmischung ferner das Sprühen eines Paars von sekundären Sprühmustern außerhalb des breiteren Abschnitts des flachen fächerförmigen Sprühmusters umfaßt und die sekundären Sprühmuster in einer Bahn aufgetragen werden, welche parallel zu den Streifen der sekundären Sprühmuster, welche an mindestens einem benachbarten Streifen überlappen, verläuft.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die flüssige Reaktionsmischung eine zweikomponentige Polyurethanmischung aus Polyen und Isocyanat ist, welche in einer Sprühauftragsvorrichtung, welche ein helixförmiges Mischelement aufweist, welches das Polyen und das Isocyanat mischt, bevor diese durch die Sprühdüse gesprüht werden, intern gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die flüssige Reaktionsmischung mit einem Druck von 400–1000 psi (rund 2,76 bis 6,9 MPa) gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die flüssige Reaktionsmischung auf eine Forminnenbeschichtung gesprüht wird, welche vorher auf der Formfläche aufgetragen wurde.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die flüssige Reaktionsmischung eine aliphatische Polyurethanmischung ist.