DE102004062589A1

DE102004062589A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffteilen

Info

Publication number: DE102004062589A1
Application number: DE200410062589
Authority: DE
Inventors: Hermann Bartels; Rüdiger Kersten
Original assignee: Seeber AG and Co KG
Current assignee: Roechling Automotive SE and Co KG
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-25
Also published as: DE102004062589B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffteilen, bei welchem man mit Hilfe eines Wärmeträgers ein Werkzeug von seiner Rückseite auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs erwärmt, danach das Werkzeug auf seiner Vorderseite aus einem Behälter mit einer vorgegebenen Menge von schüttfähigen Kunststoffteilchen beschichtet, den Kunststoff aufschmilzt und nach Abkühlen vom Werkzeug abzieht. Dabei wird der aufgeschmolzene Kunststoff mit einem Kühlmittel beaufschlagt und dadurch im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel von der aufgeschmolzenen Seite her gekühlt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffteilen, insbesondere von Häuten oder Folien, bei welchem ein Werkzeug (Galvano) auf etwa Schmelztemperatur des Kunststoffs erwärmt und danach mit einem Kunststoffpulver beaufschlagt wird.
Auf dem Werkzeug (Galvano) schmilzt die Pulverschicht auf und geliert, so dass nach dem Abkühlen des Werkzeugs (Galvanos) eine flexible Haut (Folie), aber auch je nach Raumform und beaufschlagtem Kunststoff ein Formkörper von diesem abgehoben werden kann.

Ein derartiges Vorgehen ist z.B. in der DE 42 04 171 A1 beschrieben. Die Erwärmung des Werkzeugs (Galvanos) hat dabei möglichst homogen zu erfolgen, da schon geringe Temperaturunterschiede zu Herstellungsfehlern wie Löchern oder ungleichmäßigen Materialstärken führen können. Die DE 42 04 171 A1 schlägt daher vor, einen rotierbaren Kasten zu verwenden, der zum Teil mit Sand gefüllt ist. Der Sand ist aufgeheizt und wird durch Drehung um die Horizontalachse auf das Werkzeug (Galvano) aufgebracht, kurz einwirken gelassen, danach durch weiteres Drehen vom Werkzeug (Galvano) entfernt, um anschließend erneut aufgeschüttet zu werden. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass insbesondere an engen Kehlen des Werkzeugs (Galvanos) überdurchschnittlich abgekühlter Sand mit dem übrigen wieder vermischt und aufgeheizt wird, um homogene Temperaturverhältnisse zu schaffen.

Nachteilig ist dabei, dass der relativ feinkörnige Sand in Dichtungen und Drehlager gelangt und diese beeinträchtigt. Erschwerend kommt hinzu, dass durch das häufige Kippen des Sandkastens die Sandkörnchen durch Reibung aneinander und den Wandungen staubfein werden und nach dem Kastenöffnen in die Umgebungsluft gelangen.

Die DE 100 47 318 C1 wie auch die EP 0 502 378 B1 schlagen daher vor, das Werkzeug mit Öl zu erhitzen.

Allen Vorgehensweisen, die mit heißem Öl das Werkzeug erwärmen, ist gemeinsam, dass die Kühlung des Werkzeuges zum Erstarren des Werkstücks von der Rückseite des Werkzeugs erfolgt.

Nachteilig am vorgenannten Stand der Technik ist einmal das schwere Abziehen des hautförmigen Werkstücks vom Werkzeug (Galvano). Dies erfordert oftmals große Körperkraft.

Zum zweiten liegen die Zykluszeiten für ein Werkstück bei 6–7 Minuten und sind daher relativ hoch.

Ferner weisen die Galvanos eine verhältnismäßig niedrige Standzeit auf, da das Abkühlen des Galvanos in diesen Temperaturschocks bewirkt, die die Zeitstandsfestigkeit beeinträchtigen. Außerdem sind diese Galvanos regelmäßig zu reinigen, da an diesen, insbesondere in den vorhandenen Profilierungen und Narbungen erstarrter Kunststoff hängen bleibt. Dies geschieht trotz der Tatsache, dass Trennmittel verwendet werden, die jedoch wegen Verunreinigung der Werkstücke nur in geringer Menge aufgetragen werden dürfen. Letztlich sind nur Werkstücke mit Hautdicken von über 1 mm herstellbar, dünnere würden beim Abziehen unzulässig gedehnt, da die Haftung am Werkzeug wie oben angedeutet trotz Trennmitteleinsatz hoch ist.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine leichtere Abziehbarkeit der Haut ermöglichen, so dass auch deutlich geringere Hautdicken herstellbar sind.

Darüber hinaus sollen die Zykluszeiten und die Standzeiten des Werkzeugs erheblich verbessert und der Trennmittelbedarf herabgesetzt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß Haupt- bzw. Hauptnebenanspruch.

Dabei wird z.B. folgendermaßen vorgegangen: aus einem Ölbehälter mit einem Volumen, das ein Mehrfaches des Rotationsbehälters beträgt, strömt Öl mit einer Temperatur von beispielsweise 300°C über eine ventilgesteuerte Zuleitung in das in oberer Stellung befindliche Gehäuse. Der Füllgrad wird über einen Niveau-Wächter so kontrolliert, dass das Werkzeug (Galvano) von Öl sicher bedeckt wird, wobei darüber ein gasgefüllter Hohlraum existiert. Danach wird das Gehäuse rotiert, wobei das Öl in den Hohlraum fließt und dadurch von der Werkzeugoberfläche distanziert wird. Das am Werkzeug abgekühlte Öl entfernt sich aus allen Bereichen des Werkzeugs und vermischt sich gleichzeitig homogen mit dem wärmeren Anteil des Öls. Danach wird erneut rotiert und das Öl wieder mit dem Werkzeug in Kontakt gebracht.

Sollte die Öltemperatur unter eine bestimmte Temperatur abgesunken sein, kann das abgekühlte Öl über eine ventilgesteuerte Ableitung abgelassen und durch warmes Öl ersetzt werden. Dieser Vorgang wird über Niveauwächter kontrolliert. Der gasgefüllte Hohlraum hat somit die Funktion, das vom Werkzeug abfließende Öl aufzunehmen und (durch geeignete Strömungsschikanen) thermisch zu homogenisieren.

Während des Aufheizvorgangs ist die dem Öl abgewandte Werkzeugseite mit einem Deckel verschlossen, der die Abstrahlung von Warme reduziert.

Nach dem Erreichen der Solltemperatur wird der Deckel entfernt und bei oben stehendem Gehäuse der mit Kunststoffpulver wie z.B. PVC oder TPU gefüllte Kasten von unten an das Werkzeug angekoppelt und über das Werkzeug geschwenkt, wobei das Pulver auf dessen heiße Oberfläche fällt.

Nachdem das Pulver thermisch vollkommen aufgeschlossen ist, wird der Abkühlvorgang eingeleitet. Bei oben stehendem Gehäuse wird zunächst das warme Öl über eine ventilgesteuerte Ableitung teilweise oder komplett abgezogen. Anschließend erfolgt die erfindungsgemäße Kühlung mit Hilfe des flüssigen Kühlmittels, vorzugsweise mit Wasser. Dies kann grundsätzlich auf zweierlei Weise geschehen, wobei jedoch immer die oberste Kunststoffhaut in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel beaufschlagt wird, wie weiter unten ausgeführt wird.

Die Erfindung hat erkannt, dass mit der Kühlung des Produkts über das Galvano gravierende Nachteile verbunden sind. Diese Vorgehensweise bringt es nämlich mit sich, dass zuerst die Grenzschicht des hautförmigen Erzeugnisses erstarrt und sich dabei fest mit dem Galvano verbindet, wohingegen die Oberhaut noch heiß und weich ist. Die Kühlung über das Galvano muss daher so lange fortgesetzt werden, bis die Oberhaut derart abgekühlt ist, dass sie (von Hand) ergriffen und abgezogen werden kann. Dies wird ganz erheblich dann erschwert, wenn das Galvano (eine Metallschale aus galvanisch abgeschiedenem Nickel) strukturiert ist, beispielsweise um die Anmutung von Ledernarbung zu erzeugen, wobei die Galvanooberfläche erheblich vergrößert ist und das Produkt entsprechend haftet.

Erfindungsgemäß erstarrt die Produktoberfläche zuerst, so dass die Grenzschicht bis zum Abziehen des Produkts warm bleiben kann. Dies beinhaltet den weiteren Vorteil, dass auch das Werkzeug warm bleiben kann, so dass der erneute Aufheizvorgang für das Folgeprodukt weniger Zeit erfordert.

Die erfindungsgemäße Kühlung kann vorteilhaft wie oben gesagt auf zweierlei Weise erfolgen. Einmal koppelt man den Pulverkasten nach dem Zurückschwenken nach unten ab und ersetzt diesen durch einen Wasserkasten, der das Kühlmittel (Wasser) enthält, um diesen über das Erzeugnis zu bringen, wodurch letztes geflutet wird. Die Temperatur des Wassers kann bei Raumtemperatur, aber auch darüber liegen, insbesondere dann, wenn relativ dünne Häute erzeugt werden sollen und der Kühlvorgang zu verzögern ist, um nicht ein schlagartiges Durchhärten des gelierten Kunststoffs in Kauf nehmen zu müssen. Wie oben gesagt, erlaubt die erfindungsgemäße Vorgehensweise Materialdicken bis hinab zu etwa 0,6 mm, die noch problemlos abgezogen werden können, ohne zu reißen oder sich unerwünscht plastisch zu verformen.

Die zweite Variante besteht darin, das Werkzeug mit dem angelierten Kunststoff nach unten zu schwenken, um diesen mit der Kühlflüssigkeit zu besprühen oder einem Kühlgas zu beaufschlagen. Dies erlaubt, die Menge des Kühlmittels an produktspezifische Eigenschaften anzupassen, z.B. die dickeren Stellen des Erzeugnisses intensiver zu kühlen als die dünneren und dadurch eine einheitliche Kühlzeit zu ermöglichen.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Kühlvorganges besteht darin, das Galvano bei Herstellung dickerer Erzeugnisse auf seiner Rückseite mit temperiertem Öl zu beaufschlagen, um zusätzlich zu kühlen, oder aber den Kühlvorgang aufgrund geringerer Temperaturdifferenzen bei Verwendung von warmem Öl z.B. bei dünneren Produkten zu verzögern.

Damit gelingt insgesamt eine sehr genaue Anpassung des Kühlvorganges an spezifische Material- oder Formeigenschaften des Erzeugnisses.

Versuche haben ergeben, dass ein Abziehen des Produkts dann besonders leicht gelingt, wenn die Temperatur an der Grenzschicht zwischen Werkzeug und Produkt eine Temperatur von etwa 100 °C nicht unterschreitet.

Da das Loslösen der Produkthaut erfindungsgemäß erheblich leichter ist, kann der Trennmittelaufschlag deutlich reduziert oder grundsätzlich auf ein Trennmittel verzichtet werden. Diese Trennmittel (Siliconöl) haben den gravierenden Nachteil, dass die unvermeidbar anhaftenden Trennmittelreste ein Weiterverarbeiten der Erzeugnisse z.B. in der Kraftfahrzeugindustrie erschweren, da diese eine Verklebung mit den vorgesehenen Unterlagen verhindern.

Da auch keine bzw. nur wenige Restanhaftungen beobachtet werden, können Prozessunterbrechungen zum Reinigen der Galvanooberflächen vermieden bzw. reduziert werden.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren sind Zykluszeiten bei der Herstellung eines typischen Produkts – der Abdeckung eines KFZ-Armaturenbretts von 4–5 Minuten erreichbar, herkömmlich sind 6–7 Minuten erforderlich. Darüber hinaus wird die Standzeit des Galvanos um mindestens etwa 50 % erhöht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Herstellung homogener Teile in einem Arbeitsgang beschränkt. Es können z.B. zunächst dünne Oberflächen zur Farbgebung, z.B. eingefärbtes TPU-Pulver, hergestellt werden. Danach wird auf diese -Schicht eine zweite Beschichtung mit dem eigentlichen Trägermaterial vorgenommen. Dabei belässt man das Galvano mit der ersten Schicht auf einer Temperatur, mit der die zweite Schicht aufgeschmolzen werden kann.

Alternativ dazu kann man die Herstellung von mehreren Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften vornehmen. Dabei werden Pulverkästen mit den jeweiligen Materialien angedockt, wobei die Verweilzeit des Pulvers auf dem erwärmten Galvano die Ausbildung der Wanddicke regelt.

Außerdem ist es möglich, in die vorhandenen plastische Phase vor Einleitung des Kühlvorgangs mit Wasser örtlich Bauteile in das Galvano einzulegen.

Die Prozessregelung kann erfindungsgemäß über die gemessene Galvanotemperatur erfolgen. Sinkt diese durch die Kühlung auf z.B. 100 °C ab, so wird der Kühlvorgang abgebrochen und die Vorrichtung in die Entnahmeposition gebracht.

Die Vorrichtung zur Durchführung des ertindungsgemäßen Verfahrens besteht demnach aus einem oberen Ölkasten sowie aus einem mit diesem über eine erste Dichtung verbundenen flächigen Werkzeug sowie einem das Kunststoffschüttgut aufnehmenden Schüttkasten, der über eine zweite Dichtung mit dem Werkzeug verbindbar ist, wobei die Vorrichtung um eine horizontale Achse schwenkbar ist, welche Mittel zum Aufbringen von Kühlflüssigkeit auf die dem Ölkasten gegenüberliegende Seite des Werkzeugs aufweist.

Dabei ist entweder der zur Beschichtung verwendete Pulverkasten durch einen Wasserkasten austauschbar, oder unterhalb des Galvanos ist eine Sprühvorrichtung mit den oben dargestellten Charakteristika angeordnet.

Letztlich ist festzuhalten, dass mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen die Energiekosten sehr deutlich gesenkt werden können, da sich aus dem Kühlmittel die eingesetzte Wärme sehr leicht zurückgewinnen lässt, wohingegen die Wärme beim Stand der Technik zum wesentlichen Teil im Produkt verbleibt. Dieser Effekt addiert sich zur höheren permanenten Werkzeugtemperatur, so dass insgesamt der Energieeinsatz auf bis zu ca. 30% gesenkt werden kann.

Anhand der beiliegenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Lösung mit Wasserkasten und
2 eine solche mit Sprühvorrichtung.
Die Vorrichtung gemäß 1 besteht wie herkömmlich aus einem Galvano 3, über welches der Ölkasten 1 bringbar ist, der gegen dieses mit Hilfe einer ersten Dichtung 2 abgedichtet ist. Unter dem Galvano 3 befindet sich, über eine Dichtung 5 abgedichtet, der Pulverkasten 4.
Diese Kombination ist um eine Horizontalachse 6 rotierbar.
In den Ölbehälter wird heißes Öl gepumpt, um das Galvano 3 auf z.B. 200 °C zu erwärmen. Danach wird der Pulverkasten nach oben geschwenkt, das in diesem befindliche Pulver fällt als Schüttung auf das heiße Galvano und geliert zur Haut 12.
Danach wird der Pulverkasten wieder nach unten gedreht und gegen einen Wasserkasten ausgetauscht, welcher danach hochgeschwenkt wird, um das Wasser auf die heiße Kunststoffschicht zu bringen. Dadurch kühlt diese von der Sichtseite her so weit ab, bis die Temperatur an der Galvanogrenze etwa 100 °C erreicht.
Die Vorrichtung wird wieder gedreht, der Wasserkasten entfernt und das Produkt entnommen.
2 unterscheidet sich von der Lösung gemäß 1 dadurch, dass unter dem Galvano eine Sprühvorrichtung 7 angeordnet ist. Diese wird nach Entfernung des Pulverkastens 4 (1) betätigt.
Unterhalb der Sprühdüsen 7 befindet sich ein Becken 8 mit einem Rücklauf 9 zu einer Wasserkühlung 10, aus der beim nächsten Kühlvorgang über eine Pumpe 11 erneut Kühlwasser an die Sprühdüsen 7 gefördert wird.

1: Ölbehälter
2: erste Dichtung
3: Galvano/flächiges Werkzeug
4: Pulverkasten/Schüttkasten
5: zweite Dichtung
6: Horizontalachse
7: Sprühvorrichtung/Sprühdüsen
8: Becken
9: Rücklauf
10: Wasserkühlung
11: Pumpe
12: Haut

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen, bei welchem man mit Hilfe eines Wärmeträgers ein Werkzeug von seiner Rückseite auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs erwärmt, danach das Werkzeug auf seiner Vorderseite aus einem Behälter mit einer vorgegebene Menge von schüttfähigen Kunststoffteilchen beschichtet, den Kunststoff aufschmilzt und nach Abkühlen vom Werkzeug abzieht, dadurch gekennzeichnet, dass man den aufgeschmolzenen Kunststoff mit einem Kühlmittel beaufschlagt und diesen dadurch im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel von der aufgeschmolzenen Seite her kühlt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kunststoffteil derart kühlt, dass die dem Werkzeug zugekehrte Seite des Kunststoffteils warm bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den zum Beschichten verwendeten Vorratsbehälter durch einen Wasserkasten ersetzt und diesen durch Schwenken über das aufgeschmolzene Kunststoffteil bringt, um dieses mit im Wasserkasten befindlichem Wasser zu beaufschlagen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das aufgeschmolzene Kunststoffteil von unten mit Kühlflüssigkeit oder Kühlgas besprüht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Menge der Kühlflüssigkeit oder des Kühlgases in Abhängigkeit von unterschiedlicher Kunststoffdicke aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkzeug auf seiner Rückseite zusätzlich mit Öl kühlt und/oder temperiert.
Verfahren nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück nur soweit abkühlt, bis der Kunststoff an seiner dem Werkzeug zugewandten Seite einen warmen, elastisch verformbaren Zustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kühlung derart durchführt, dass das Werkzeug eine Temperatur von etwa 100 °C nicht unterschreitet.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1–8, bestehend aus einem oberen Ölbehälter (1) sowie aus einem mit diesem über eine erste Dichtung (2) verbundenen flächigen Werkzeug (3) sowie einem das Kunststoffschüttgut aufnehmenden Schüttkasten (4), der über eine zweite Dichtung (5) mit dem Werkzeug (3) verbindbar ist, wobei die Vorrichtung um eine horizontale Achse (5) schwenkbar ist, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufbringen von Kühlflüssigkeit auf die dem Ölkasten (1) gegenüberliegende Seite des Werkzeugs (3).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der das Schüttgut aufnehmende Kasten (4) gegen einen Kühlflüssigkeitskasten austauschbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Werkzeugs Sprühdüsen (7) zum Beaufschlagen der nach unten gekehrten Seite des Werkstücks mit Kühlflüssigkeit oder Kühlgas angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der über die Sprühdüsen (7) über die Zeiteinheit ausbringbaren Flüssigkeit unterschiedlich regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mit einem Temperaturfühler versehen ist und dass die Menge der Kühlflüssigkeit und/oder deren Einwirkdauer in Abhängigkeit von der Werkzeugtemperatur regelbar ist.