DE102004060810A1

DE102004060810A1 - Kunststoff-Formteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004060810A1
Application number: DE200410060810
Authority: DE
Inventors: Gunther Dipl.-Ing. Ellenrieder; Arnulf Dr.-Ing. Frisch; Reiner Dipl.-Ing. Jocher; Peter Dipl.-Ing. Lehmann; Klaus-Erik Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29
Also published as: WO2006066719A3; WO2006066719A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils aus einem Folienmaterial aus transparentem Kunststoff, bei dem das Folienmaterial mittels eines Druckverfahrens einseitig bedruckt wird, durch ein Tiefziehverfahren umgeformt wird sowie nach dem Umformen von der bedruckten Seite her mit einem transparenten Kunststoff hinterspritzt wird. Um das gattungsgemäße Verfahren zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Folienmaterial auf seiner von der bedruckten Seite abgewandten Seite mit einer kratzfesten Schicht versehen wird. Weiterhin wird ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kunststoff-Formteil vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kunststoff-Formteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Für viele industrielle Anwendungsfälle werden Kunststoff-Formteile mit unterschiedlich gefärbten und/oder transparenten Bereichen verwendet. Dabei stellt sich das Problem, innerhalb eines Formteils Bereiche unterschiedlicher Färbung und Transparenz zu erzeugen.

Aus der gattungsbildenden DE 38 40 542 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formteils bekannt. Dort wird ein Folienmaterial aus Kunststoff mit einem Farbaufdruck versehen, mit Hilfe eines Druckfluids isostatisch in die Form des späteren Formteils umgeformt und in einem Spritzgusswerkzeug mit thermoplastischem Kunststoff hinterspritzt.

Dieses Verfahren ist jedoch nur für Formteile anwendbar, welche keinen oder nur geringen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Umwelteinflüsse in Form von Kratzern, Schlägen, UV-Strahlung oder Stößen spielen jedoch beispielsweise bei Kunststoff-Teilen, die an der Außenhaut der Karosserie eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden sollen, eine große Rolle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoff-Formteil sowie ein Verfahren zur Herstellung des Formteils vorzuschlagen, welches bei einer einfachen und serientauglichen Herstellung eine hohe Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.

Danach wird zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils ein Folienmaterial aus Kunststoff mittels eines Druckverfahrens einseitig bedruckt und auf seiner von der bedruckten Seite abgewandten Seite mit einer kratzfesten Schicht versehen. Weiterhin wird das Folienmaterial durch ein Tief ziehverfahren umgeformt sowie nach dem Umformen von der bedruckten Seite her mit einem transparenten Kunststoff hinterspritzt.

So kann in einem Arbeitsgang ein robustes Kunststoff-Formteil hergestellt werden, welches einerseits in Bezug auf Dekor, Färbung und Lichtdurchlässigkeit frei gestaltbar ist und andererseits durch die kratzfeste Beschichtung einen hohen Schutz gegenüber Schlägen, Stößen, UV-Strahlung und Kratzern besitzt.

Vorteilhafterweise wird das Folienmaterial mittels eines Siebdruckverfahrens bedruckt. Dabei handelt es sich um ein bewährtes und industriell weit verbreitetes Verfahren. Weiterhin bietet es im Vergleich zu anderen Druckverfahren einen dicken Farbauftrag (Anspruch 2).

Alternativ kann das Folienmaterial mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens bedruckt werden. Das Tintenstrahldruckverfahren bietet gegenüber dem Siebdruckverfahren den Vorteil, dass alle Farben in einem Prozessschritt aufgebracht werden können, wodurch das Problem der exakten Positionierung der Druckvorlagen zu der Folie entfällt (Anspruch 3).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Farbschicht ein elektrisch leitfähiges Material verwendet. Dabei kann die Farbschicht aus elektrisch leitfähigem Material einerseits als eine in das Kunststoff-Formteil integrierte Antenne dienen. Andererseits kann die Farbschicht aus elektrisch leitfähigem Material als ein in das Kunststoff-Formteil integriertes Heizelement dienen. Auf diese Weise kann die Anzahl der verwendeten Bauteile im Kraftfahrzeug durch die Integration möglichst vieler verschiedener Funktionen und Einzelteile in ein einziges, einfach herzustellendes Bauteil reduziert werden (Ansprüche 4 bis 6).

Vorteilhafterweise wird die kratzfeste Schicht durch Aufsprühen eines Siloxanlackes auf das Folienmaterial erzeugt. So kann die kratzfeste Schicht auf eine sehr einfache Weise appliziert werden (Anspruch 7).

In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung wird die kratzfeste Schicht gemeinsam mit dem Folienmaterial durch Koextrusion hergestellt. Auf diese Weise ist die kratzfeste Kunststoff-Schicht von Beginn des Verfahrens an fest mit dem Folienmaterial verbunden. Weiterhin kann so eine kratzfeste Schicht konstanter Dicke erzielt werden (Anspruch 8).

Ferner wird ein durch das Verfahren hergestelltes Kunststoff-Formteil vorgeschlagen. Das Formteil umfasst eine Kunststoff- Folie, eine hinterspritzte Schicht aus transparenten Kunststoff, sowie eine Farbschicht zwischen Kunststoff-Folie und hinterspritzter Kunststoff-Schicht. Weiterhin umfasst das Kunststoff-Formteil eine an die der Farbschicht gegenüberliegende Seite der Folie anliegende Schicht aus einem kratzfesten Kunststoff. Auf diese Weise kann ein Kunststoff-Formteil mit hoher Schlag-, Stoß- und Kratzfestigkeit ohne zusätzliche Maßnahmen hergestellt werden, welches gleichzeitig transparente und nicht transparente Bereiche mit oder ohne Dekor in einem Bauteil ohne Fugen kombiniert. Dadurch wird eine Zusammenfassung von Einzelbauteilen in einem Bauteil mit einer damit verbundenen Kosteneinsparung erreicht (Anspruch 9).

Vorteilhafterweise ist der Werkstoff für das Folienmaterial Polycarbonat. Dabei handelt es sich um einen hochwertigen Kunststoff mit guten Gebrauchs- sowie Verarbeitungseigenschaften (Anspruch 10).

Weiterhin vorteilhaft ist der Einsatz von Polymehtylmethacrylat (PMMA) als kratzfestem Kunststoff. Dabei handelt es sich um ein Material mit extrem hoher Schlagzähigkeit, was den Einsatz des Kunststoff-Formteils beispielsweise als Leuchtenabdeckung, Scheibe oder Dachelement ermöglicht. (Anspruch 11).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Kunststoff-Formteils als Stoßstange mit integrierter Leuchte,
2 eine Schnittansicht durch die Stoßstange nach 1,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel als bedrucktes Dachelement sowie
4 eine Detailansicht des Dachelementes nach 3.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kunststoff-Formteils 1. Dabei handelt es sich um eine Stoßstange 3 für ein Kraftfahrzeug mit darin integrierten Heckleuchten 5. Ein Funktionsbereich 7 der Stoßstange 3 weist eine bestimmte Färbung auf, beispielsweise die Wagenfarbe, während für die Heckleuchten 5 ein roter Außenbereich 9 und ein runder transparenter Innenbereich 11 vorgesehen wird.
2 zeigt nun eine Detailansicht dieses Kunststoff-Formteils 1. Wie zu erkennen ist, besteht das Formteil 1 aus vier aufeinander angeordneten Schichten. Diese Schichten sowie deren Erzeugung werden nun anhand eines exemplarischen Verfahrens zur Herstellung des Kunststoff-Formteils 1 detailliert beschrieben.
Um das Kunststoff-Formteil 1 herzustellen, wird als Basis eine transparente Folie 13 aus einem Kunststoff verwendet. Diese Folie 13 besteht aus einem thermoplastischen, tiefziehfähigen Kunststoff. Dabei hat sich beispielsweise ein transparentes Folienmaterial 14 auf der Basis von Polycarbonat, PMMA, PET (Polyestertarapthtalat), SAN (Styrolacrylnitrilcopolymer) oder PS (Polystyrol), auch in Verbindung mit geeigneten Blendmaterialien, als geeignet erwiesen. Geeignet sind aber auch beispielsweise Polyester, Polyamide oder Polyamide oder Mischungen dieser Kunststoffe in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Diese Folie 13 wird zunächst von der einer Seite, die im Folgenden als Druckseite 15 bezeichnet werden wird, durch ein Druckverfahren mit einer Farbschicht 17 versehen.
Die oben beschriebenen unterschiedlichen Farbgebungen der Stoßstange 3 lassen sich dabei durch eine Farbschicht 17 realisieren, die sich dementsprechend aus einem opaken Farbstoff für den Funktionsbereich 7 und einem transparenten roten oder orangefarbenen Farbstoff für den Außenbereich 9 zusammensetzt.
Als Verfahren zum Aufbringen der Farbschicht 17 kann ein Siebdruckverfahren zum Einsatz kommen. Durch ein Siebdruckverfahren kann eine relativ dicke Farbschicht 17 aufgetragen werden. Alternativ kann die Farbschicht 17 durch ein Tintenstrahldruckverfahren aufgebracht werden. Dies bietet den Vorteil, dass durch einen Druckkopf alle benötigten Farben in einem Schritt aufgebracht werden können, so dass die Druckvorlagen nicht während des Druckvorgangs immer wieder hochgenau positioniert werden müssen.
Im nächsten Arbeitsgang wird die bedruckte Folie 13 in die Form gebracht, die der des späteren Formteils 1 entspricht. Dies geschieht durch ein Tief ziehverfahren. Bei dem hier verwendeten Verfahren wird die Folie 13 durch Wärme und Unterdruck in Form eines Vakuums in eine Tiefziehform hineingezogen, an deren Wandung sie sich eng anlegt.
Im folgenden Verfahrensschritt wird auf die bedruckte Druckseite 15 der verformten Folie 13, auf der sich auch die Farbschicht 17 befindet, eine weitere Kunststoffschicht 25 aus transparentem Kunststoff durch ein Spritzgussverfahren aufgespritzt. Diese Kunststoffschicht 25 ist deutlich dicker als die Folie 13 und dient dazu, das Kunststoff-Formteil 1 mit einer Formstabilität zu versehen. Die hinterspritzte Kunststoff-Schicht 25 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus demselben Kunststoffmaterial wie die Folie 13, sie kann aber auch aus einem anderen transparenten, für das Spritzgießen geeigneten Kunststoff bestehen. Denkbar wären da insbesondere Polyester, PC, PMMA, PS, ABS-Harz oder Polyfluorkohlenwasserstoffe.
Im nächsten Schritt wird die Folie 13 von der von der Farbschicht 17 abgewandten Außenseite 19 mit einer kratzfesten Schicht 21 aus einem weiteren transparenten Kunststoff, die z.B. Kratz- und UV-Beständigkeit sicherstellt, versehen. Als Werkstoff wird hierfür beispielsweise Polymehtylmethacrylat (PMMA) verwendet, der sich durch eine hohe Schlagzähigkeit und Kratzbeständigkeit auszeichnet. Diese kratzfeste Schicht 21 wird im späteren Kunststoff-Formteil 1 auf der der Umgebung zugewandten Außenseite 23 des Kunststoff-Formteils 1 liegen. Die kratzfeste Schicht 21 wird nach dem Hinterspritzen der bedruckten Folie durch Aufsprühen eines Siloxanlacks auf die Außenseite 19 der Folie 13 aufgebracht. Alternativ zum Aufsprühen kann die kratzfeste Schicht 21 auch durch ein Tauchverfahren, eine Plasmabeschichtung, eine PVD (Physical Vapour Deposition)- oder eine CVD (Chemical Vapour Deposition)- Beschichtung aufgebracht werden.
So kann wahlweise die gesamte Stoßstange 3 an der Außenseite 23 mit einer kratzfesten Schicht 21 versehen werden oder nur der Bereich der integrierten Heckleuchten 5.
Nach der Beschichtung der Außenhaut ist das Kunststoff-Formteil 1 fertig gestellt und kann im Fahrzeug eingesetzt werden. Es weist an der Außenseite 23 eine entsprechend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schlägen, Stößen, Kratzern oder UV-Strahlung auf. Wie an diesem Ausführungsbeispiel zu erkennen ist, können so auch Formteile 1 mit gekrümmten Geometrien hergestellt werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kunststoff-Formteil 1, in diesem Fall ein Dachelement 27 für ein Kraftfahrzeug. Dieses Dachelement 27 muss einerseits an den Rändern 29, wie dargestellt, mit einem Dekor 31 in Form von undurchsichtigen, beispielsweise schwarzen Punkten 33 versehen werden. Alle übrigen Bereiche des Dachelements 27 sollen transparent sein. Weiterhin werden an ein solches Dachelement 27, dessen Außenseite 35 ständig Einflüssen durch die Umwelt ausgesetzt ist, hohe Anforderungen in Bezug auf Kratz-, Stoß- und Verschleißfestigkeit sowie Beständigkeit gegen UV-Strahlung gestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Farbschicht 17 die an den Rändern 29 angeordneten Punkte 33. Die anderen Bereiche der Folie 13, die später transparent sein sollen, werden dementsprechend nicht bedruckt.
In 4 ist eine Detailansicht des Dachelementes 27 dargestellt. Der Aufbau des Querschnitts entspricht im Wesentlichen dem in 2 dargestellten Querschnitt der Stoßstange 3, mit dem Unterschied, dass hier zwischen der Farbschicht 17 und der hinterspritzten Kunststoffschicht 25 ein Haftvermittler 37 vorgesehen ist, da Kunststoffschicht 25 und Folie 13 aus verschiedenen Materialien bestehen und daher evtl. nicht so gut aneinander haften.
Die Herstellung des Dachelements 27 erfolgt ähnlich wie die der Stoßstange 3 aus 1, mit dem Unterschied, dass die kratzfeste Schicht 21 hier nicht auf die Folie 13 aufgesprüht, sondern direkt beim Herstellen der Folie 13 durch ein Koextrusionsverfahren mit dieser verbunden wird.
Koextrusionsverfahren sind in der industriellen Praxis bereits gut bekannt. Es ist möglich, eine aus bis zu sieben Schichten zusammengesetzte Mehrschichtfolie durch Koextrusion herzustellen. In diesem Fall erfolgt die Aufbringung der Farbschicht 17 auf einen schon aus Folie 13 und kratzfester Schicht 21 bestehenden Zweischicht-Verbund.
Ein solches integriertes Dachelement 27 lässt sich daher einfach und in wenigen Verfahrensschritten mit dem Verfahren erzeugen.
Je nach Anwendungsfall kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte zur Herstellung des Kunststoff-Formteils 1 variieren. Es ist beispielsweise prinzipiell möglich, zu sechs verschiedenen Zeitpunkten im Verfahrensablauf die kratzfeste Schicht 21 auf die Folie 13 aufzubringen: Sie kann

– noch vor dem Aufbringen der Farbschicht 17 auf die Folie 13,
– nach dem Aufbringen der Farbschicht 17 auf die Folie 13,
– vor dem Tiefziehen der Folie 13,
– nach dem Tiefziehen der Folie 13,
– vor dem Hinterspritzen der Kunststoffschicht 25 oder
– nach dem Hinterspritzen der Kunststoffschicht 25

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Eine weitere Anwendung neben der Erzeugung von Kunststoff-Formteilen 1 mit unterschiedlich bedruckten Bereichen ist die Aufbringung einer Farbschicht 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material.
So ist es beispielsweise möglich, ein durchsichtiges Dachelement 27 wie in 3 mit einer darin integrierten Antenne mit Hilfe des Verfahrens herzustellen. Weiterhin können so beispielsweise bei Heckscheiben auch Heizelemente in Form von aufgedruckten Heizdrähten als Farbschicht direkt eingebracht werden. Antenne und Heizdrähte sind dabei durch die Folie 13 und die kratzfeste Schicht 21 gegenüber der Umgebung geschützt.
Weiterhin sind sämtliche Kombinationen von bedruckten Bereichen, transparenten Bereichen mit opaken oder transparenten oder elektrisch leitfähigen Farbstoffen in einer Farbschicht 17 mit diesem Verfahren herstellbar, mit dem großen Vorteil, dass die so hergestellten Formteile aufgrund der kratzfesten Schicht 21 überall an der Außenseite eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können.
Weitere Ausführungsbeispiel sind alle außen an der Kraftfahrzeug-Karosserie angeordneten Kunststoff-Teile, welche unterschiedlich gefärbte und/oder transparente Bereiche oder eingearbeitete leitende Elemente aufweisen. Dabei kann es sich beispielsweise um Leuchtenabdeckungen handeln, insbesondere für Heckleuchten, Bremsleuchten oder Blinker, die einzeln eingebaut oder in bestehende Elemente wie Außenspiegel-Gehäuse, Scheiben oder Stoßstangen integriert werden. Denkbar ist die Verwendung solcher Kunststoff-Formteile 1 als Heckscheiben oder Seitenscheiben, als transparente Dächer, als Außenspiegel-Gehäuse mit integriertem Blinker oder anderen integrierten Anzeigeelementen, z.B. für Einparkhilfen.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten Verfahren oder Formteile. Je nach Anwendungsfall kann beispielsweise die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte verändert werden.
Weiterhin ist neben dem dargestellten Tief ziehverfahren mit Hilfe von Vakuum auch ein anderes Tief ziehverfahren denkbar, beispielsweise Tiefziehen unter Druck und/oder Temperatur.
Ferner ist neben den beiden vorgestellten ein anderes Druckverfahren denkbar, beispielsweise ein Tampondruckverfahren.
Der Haftvermittler 37 kann weiterhin auch direkt mit der Folie 13 und der kratzfesten Schicht 21 extrudiert werden. Für die kratzfeste Schicht 21 kann neben dem Werkstoff PMMA auch ein anderer Werkstoff verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils (1) aus einem Folienmaterial (14) aus transparentem Kunststoff, bei dem das Folienmaterial (14) mittels eines Druckverfahrens einseitig bedruckt wird, durch ein Tiefziehverfahren umgeformt wird sowie nach dem Umformen von der bedruckten Seite (15) her mit einem transparenten Kunststoff (25) hinterspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial (14) auf seiner von der bedruckten Seite (15) abgewandten Außenseite (19) mit einer kratzfesten Schicht (21) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial (14) mittels eines Siebdruckverfahrens bedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial (14) mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens bedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Farbschicht (17) ein elektrisch leitfähiges Material verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (17) aus elektrisch leitfähigem Material als eine in das Kunststoff-Formteil (1) integrierte Antenne dient.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (17) aus elektrisch leitfähigem Material als ein in das Kunststoff-Formteil (1) integriertes Heizelement dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kratzfeste Schicht (21) durch Aufsprühen eines Siloxanlacks auf das Folienmaterial (14) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer kratzfesten Schicht (21) versehene Folienmaterial (14) durch ein Koextrusionsverfahren hergestellt wird.
Kunststoff-Formteil (1) mit einer transparenten Kunststoff-Folie (13), einer hinterspritzten Schicht (25) aus transparenten Kunststoff, sowie einer Farbschicht (17) zwischen Kunststoff-Folie (13) und hinterspritzter Kunststoff-Schicht (25), dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Formteil (1) eine an die der Farbschicht (17) gegenüberliegende Seite der Kunststoff-Folie (13) anliegende Schicht (21) aus einem kratzfesten Kunststoff umfasst.
Kunststoff-Formteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Folie (13) aus Polycarbonat besteht.
Kunststoff-Formteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kratzfeste Kunststoffschicht (21) aus Polymehtylmethacrylat (PMMA) besteht.
Kunststoff-Formteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der kratzfesten Schicht (21) abgewandten Seite der Kunststoff-Folie (13) eine Schicht eines Haftvermittlers (37) angeordnet ist.