-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstücks aus
einem Schaumstoffkörper
und zumindest zwei damit verbundenen Verstärkungsteilen in einem Hohlwerkzeug,
bei dem der Schaumstoffkörper
durch thermische Aktivierung eines pastösen, ersten Reaktionsgemisches
auf Polyurethanbasis erzeugt und zugleich mit den Verstärkungsteilen
verklebt wird.
-
Ein
solches Verfahren gelangt bei der Herstellung von Schaumformteilen
zur Anwendung, die als Innenraumverkleidungen oder Armaturenbretter in
Kraftfahrzeugen zur Anwendung gelangen. Sie sind gewöhnlich im
Bereich der Sichtseite mit einer weichelastischen Kunststofffolie überzogen,
die mit einer lederähnlichen
Narbung versehen ist, und im Bereich der Rückseite mit einem die Rückseite
nahezu ganz überdeckenden
Trägerelement
aus Kunststoff. Der zentrale Schaumstoffblock besteht je nach Anwendungsfall
aus einem mehr oder weniger hart eingestellten Polyurethanschaum üblicher
Zusammenset zung, der die Kunststofffolie und das Trägerelement
miteinander verklebt und zusammenhält. Er verleiht der Oberfläche außerdem je
nach Anwendungsfall mehr oder weniger weichelastische Eigenschaften.
Das Einlegen der großformatigen
Verstärkungselemente
ist sehr umständlich,
was als unbefriedigend empfunden wird.
-
Das
eingangs genannte Verfahren ist bekannt aus der
DE 100 59 762 A1 . Anstelle
großformatiger
Verstärkungselemente
an der Rückseite
gelangen dabei Verstärkungsfasern
zur Anwendung, die in dem Schaumstoffkörper als solchem homogen verteilt
sind. Damit lässt
sich nicht die gewünschte
Festigkeit erzielen.
-
Es
ist ebenfalls bereits bekannt, bei der Herstellung von Formteilen
dieses Typs die Reaktion der Reaktionspartner des Polyurethans durch
eine Erwärmung
des gesamten Formwerkzeuges mittels einer Heizeinrichtung zu beschleunigen.
Die dabei zur Anwendung gelangende Temperatur lässt sich jedoch nicht beliebig
hoch wählen,
weil zu hohe Temperaturen zu einer Gefährdung der mit der Beschickung
der Werkzeuge beschäftigten
Personen führen
könnten.
Außerdem
würde die
Reaktion beim Eingeben der nötigen
Menge des benötigten
Reaktionsgemisches in ein zu heißes, offenes Werkzeug so schnell
anspringen, dass das Werkzeug nicht mehr schnell genug geschlossen
werden könnte
mit der Folge der Entstehung fehlerhafter Teile. Die Verkürzbarkeit
der Taktzeiten sind dadurch begrenzt.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundwerkstücks
aus einem Schaumstoffkörper
und einem damit verbundenen, großflächigen Verstärkungsteil
zu zeigen, das einfach anzuwenden ist und dass es gestattet, die
erforderlichen Taktzeiten deutlich zu vermindern.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Auf
vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die darauf rückbezogenen Unteransprüche Bezug.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es vorgehen, dass das Verstärkungsteil
aus mehreren Segmenten zusammengesetzt wird, die vor dem Einbringen
des ersten Reaktionsgemisches unter Einfügung eines von dem ersten verschiedenen, thermisch
aktivierbaren und pastösen
zweiten Reaktionsgemisches in einer einander in zumindest einem Teilbereich überlappenden
Lage in die Hohlform eingelegt werden und dass beide Reaktionsgemische nachfolgend
gemeinsam thermisch aktiviert werden, um den Schaumstoffkörper zu
bilden und die Segmente unlösbar
miteinander und dem Schaumstoffkörper
zu verkleben.
-
Aus
dem ersten Reaktionsgemisch wird bei seiner Aktivierung ein Schaumstoffkörper gebildet, der
dem zu erzeugenden Verbundwerkstück
sein äußeres Erscheinungsbild
verleiht und im wesentlichen die Aufgaben eines Füllkörpers von
begrenzter Widerstandsfähigkeit
wahrzunehmen hat. Es gelangen daher bei seiner Herstellung bevorzugt
aufschäumbare
Reaktionsgemische zur Anwendung, die dem Verbundwerkstück eine
gute thermische Beständigkeit
verleihen.
-
Bei
dem zweiten Reaktionsgemisch handelt es sich demgegenüber um einen
Klebstoff, der die Aufgabe hat, die zu verbindenden Segmente derart zu
verkleben, dass die Verbindung auch andauernden Wechsellasten oder
Schwingungen ohne Schädigung
zu widerstehen vermag. Das Reaktionsge misch ist zur Erfüllung dieser
Forderung normaler Weise nicht aufschäumbar und zeichnet sich nach seiner
Aktivierung durch eine hohe Elastizität und Zähigkeit aus. Die Verwendung
von Polyurethan und vulkanisierbaren Substanzen ist gleichfalls
möglich.
-
Durch
die vorgeschlagene Verwendung von Verstärkungsteilen, die aus mehrerereren
handlichen und gegebenenfalls leicht stapelbaren Segmenten zusammengesetzt
werden, gelingt es problemlos, jeder Festigkeitsforderung gerecht
zu werden, ohne die Handhabung zu erschweren. Außerdem ist es durch das Verkleben
mererer Segmente möglich, weitere
Fertigungsschritte bei der Herstellung des Verstärkungsteils einzusparen. Das
zweite Reaktionsgemisch wird auf die einzelnen Segmente schon vor
oder nach dem Einlegen in die Hohlform an den dafür vorgesehenen
Stellen aufgetragen. Die Segmente werden nach dem Einlegen in die
Hohlform temporär
miteinander und der Hohlform verbunden, um eine unerwünschte Relativverlagerung
während der
Werkzeugbeschickung und der Aktivierung der Reaktionsgemische zu
verhindern. Zu diesem Zwecke können
die Segmente mit ineinander einfügbaren
Steckverbindern versehen sein und/oder die Hohlform mit entsprechenden
Andrück-
und/oder Fixiermitteln. Die Segmente können auch nach außen vorstehende
Halteelemte bilden.
-
Die
Zusammensetzung des großflächigen Verstärkungsteils
aus mehreren Segmenten bietet ferner die Möglichkeit, konstruktiven Abweichungen von
einer vorgegebenen Norm baukastenartig gerecht zu werden, um besonderen
Festigkeitsanforderungen zu genügen
und Hohlräume
und/oder Haltelemente für
Armaturen u.ä.
nach Bedarf zu gestalten oder anzubringen.
-
Als
besonders zweckmäßig hat
es sich erwiesen, das erste und das zweite Reaktionsgemisch durch
Mikrowellen zu aktivieren. Das dazu nötige Magnetron lässt sich
verhältnismäßig einfach
an der Hohlform anbringen. Diese ist im geschlossenen Zustand allseitig
durch metallische Wände
begrenzt, was das Austreten von Mikrowellen verhindert. Eine eventuell
vorhandene Einfüllöffnung für die Beschickung
der Hohlform mit dem ersten Reaktionsgemisch ist vor Einschaltung
des Magnetrons gleichfalls zu verschließen.
-
Der
besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass nur die Reaktionsgemische als solche durch die Mikrowellen
erwärmt
und auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine besonders
zügige
und intensive chemische Reaktion eintritt und nicht mehr indirekt über die Hohlform
und die darin eingelegten Teile. Dies spart nicht nur Energie, sondern
es trägt
auch dazu bei, Unfallgefahren zu vermeiden und Hitzeschäden an den
eingelegten Teilen in Gestalt von Rückverformungen und Verwerfungen
zu verhindern.
-
Die
optimale Reaktionstemperatur der beiden Reaktionsgemische kann durch
einfache Versuche ermittelt und das Magnetron entsprechend eingestellt
werden. Für übliche Anwendungsfälle hat
es sich bewährt,
wenn das erste und das zweite Reaktionsgemisch zur Aktivierung auf
eine übereinstimmende
Temperatur von 60 bis 150°C
erwärmt
werden, zweckmäßig auf
eine Temperatur von 80 bis 120°C.
-
Die
Mikrowellenstrahlung wird nur bei geschlossenem Werkzeug in die
Kavität
eingeleitet, d.h. zu einem Zeitpunkt, zu dem am Werkzeug Manipulationen
nicht mehr vorgenommen werden müssen
und sich das Werkzeug außerhalb
des Arbeitsbereiches des Bedienungspersonals befindet, wenn es in üblicher
Weise in großer
Stückzahl
in einem Karussell beweglich angeordnet ist, um die Reaktion des
Reaktionsgemisches sicher zum Abschluss gelangen zu lassen. Eine
solche- Anordnung ist in der Massenproduktion entsprechender Schaumformteile
gebräuchlich.
Gefährdungen
von Personen sind dementsprechend völlig ausgeschlossen. Auch bedürfen die
zur Werkzeugbeschickung benötigten
Zeiten, d.h. die zum Einlegen der Kunststofffolie und des Trägers benötigten Taktzeiten,
keiner Reduzierung. Für
das Bedienungspersonal bedingt die Erfindung daher keine Veränderung
der Handhabungen.
-
Mikrowellen
sind an sich bekannt. Sie haben in bezug auf die Lösung der
vorliegenden Aufgabe jedoch noch keine Verwendung gefunden. Die
optimale Leistung der zur Anwendung gelangenden Magnetrone hängt maßgeblich
ab von der Menge und Art des im Einzelfall zur Anwendung gelangenden
Reaktionsgemisches sowie von der Werkzeuggröße. Sie kann im konkreten Fall
durch einfache Versuche bestimmt und zur Anwendung gebracht werden.
-
Formteile
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise Armaturentafeln,
sind häufig
von lang gestreckter Gestalt. Um auch unter solchen Bedingungen
eine beschleunigte und gleichmäßige Reaktion
der Reaktionsgemische in allen Teilbereichen zu gewährleisten,
hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn
die Mikrowellen an wenigstens zwei Stellen in die Kavität eingeleitet
werden, die einen Abstand von einander haben.
-
Die
Reaktion kann ferner durch eine Beheizung des Werkzeugs zusätzlich beschleunigt
werden, beispielsweise durch die Beheizung wenigstens einer Werkzeughälfte auf
eine Grundtemperatur von 40 bis 45°C. Dabei können übliche Heizmittel zur Anwendung
gelangen, beispielsweise elektrische Heizeinrichtungen oder Heizeinrichtungen,
die sich der Verwendung von erwärmtem Öl oder Wasser
bedienen. Grundtemperaturen dieses Niveaus sind in jeder Hinsicht
unkritisch.
-
Als
besonders vorteilhaft zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
hat sich eine Vorrichtung bewährt,
bei der das Werkzeug eine Kavität
enthält,
die in allen Teilbereichen von einer metallischen Abschirmung umschlossen
und die mit zumindest einem Magnetron verbunden ist. Das Magnetron
kann dabei unmittelbar an dem Werkzeugober- oder -unterteil befestigt
und automatisch gesteuert sein.
-
Um
die Verbindung zwischen dem Magnetron und der Kavität vor dem
Eindringen von funktionsbeeinträchtigenden
Fremdkörpern
zu schützen, hat
es sich als zweckmäßig bewährt, sie
durch ein für Mikrowellen
durchlässiges
Fenster zu verschließen, beispielsweise
durch ein Fenster aus Kunststoff. Dieses sollte die Kavität oberflächenbündig begrenzen.
-
Falls
die Mündung
der Verbindungsleitung während
der bestimmungemäßen Verwendung durch
ein für
Mikrowellen durchlässiges
und in bezug auf den Reaktionsschaum undurchlässiges Einlegeteil überdeckt
wird, beispielsweise durch eine Kunststofffolie oder einen Träger aus
Kunststoff, die am Fertigteil verbleiben, dann kann auf die Verwendung eines
solchen Fensters verzichtet werden, was eine eventuell nötige Reinigung
erübrigt.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Hohlform
mit wenigstens einer Einfüllöffnung für das Reaktionsgemisch
zu versehen, die zumindest während
der Einleitung von Mikrowellen durch eine Abschirmeinrichtung für Mikrowellen verschließbar ist.
Die Abschirmeinrichtung ist zweckmäßig mit einer automatischen
Betätigungseinrichtung
versehen und durch die Betätigungseinrichtung zumindest
während
der Einleitung von Mikrowellen verschließbar.
-
Nach
einer besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Abschirmeinrichtung
durch zumindest ein vakuumbeständiges
Ventil gebildet ist. Hierdurch ist die Kavität evakuierbar, was die Möglichkeit
eröffnet,
Schaumformteile von besonders geringer Dichte besonders zügig zu erzeugen.
-
Das
Werkzeug ist zweckmäßig mit
zumindest einer zusätzlichen
Heizeinrichtung in zumindest einer Werkzeughälfte versehen, um die Herstellung von
Schaumformteilen noch weiter zu beschleunigen. Eine solche Heizeinrichtung
kann aus einer elektrischen Widerstandsheizung bestehen oder aus einer
Heizeinrichtung, die sich eines erwärmten Strömungsmittels bedient, beispielsweise
der Verwendung von erwärmtem Öl oder Wasser,
welches durch Heizkanäle
von zumindest einer Werkzeughälfte
kontinuierlich hindurchgeleitet wird.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnung
-
Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Anlage beigefügten Zeichnung
weiter verdeutlicht.
-
Darin
ist eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in längsgeschnittener,
schematischer Darstellung, bei der die Verbindungsleitung zwischen
der Kavität
und dem Magnetron durch ein für
Mikrowellen undurchlässiges
Ventil verschließbar
ist, das zugleich vakuumdicht ist.
-
Erläuterung der Beispiele:
-
Die
gezeigte Vorrichtung dient zur Durchführung eines Verfahrens zur
Herstellung eines Verbundwerkstücks
aus einem Schaumstoffkörper 1 und zumindest
einem damit verbundenen, großflächigen Verstärkungsteil 2 in
einer Hohlform 3, bei dem der Schaumstoffkörper 1 durch
Aktivierung eines ersten pastösen
Reaktionsgemisches auf Polyurethanbasis erzeugt und zugleich mit
dem Verstärkungsteil 2 verklebt
wird, wobei das Verstärkungsteil 2 aus
mehreren Segmenten 2a, 2b zusammengesetzt wird,
die vor dem Einbringen des ersten Reaktionsgemisches 4 unter
Einfügung
eines zweiten, von dem ersten verschiedenen, aktivierbaren und pastösen Reaktionsgemisches 5 in
einer einander in zumindest einem Teilbereich überlappenden Lage in die Hohlform 3 eingelegt
werden und wobei beide Reaktionsgemische 4, 5 nachfolgend
gemeinsam aktiviert werden, um den Schaumstoffkörper 1 zu bilden und
die Segmente 2a, 2b unlösbar miteinander zu verkleben.
-
Die
Reaktion des Reaktionsgemisches wird dabei durch Mikrowellen beschleunigt,
die nach dem mikrowellen-dichten Verschließen der Hohlform 3 in die
Kavität
eingeleitet werden, um die Reaktionsgemische 4, 5 in
allen Teilbereichen zügig
und gleichmäßig auf
die optimale Reaktionstemperatur zu bringen und dadurch die bis
zur Formung und Aushärtung
der Schaumformteile benötigte
Reaktionszeit zu verkürzen.
-
Die
aus einem Werkzeugoberteil 3a und einem Werkzeugunterteil 3b bestehende
Hohlform 3 besteht in allen Teilbereichen aus Metall, wobei
die Trennfuge durch eine mikrowellendichte, metallische Blende 12 überdeckt
und gegebenenfalls durch in der Zeichnung nicht wiedergegebene zusätzliche,
polymere Dichtmittel abgedichtet ist.
-
Die
in der Hohlform 3 enthaltene Kavität ist mit einem Magnetron 6 verbunden,
das im Werkzeugoberteil 3a angeordnet ist, wobei die Mündung der
Verbindungsleitung in Richtung der Kavität oberflächenbündig durch ein dort eingesetztes
Fenster 7 aus Kunststoff abgedeckt ist, um das unbeabsichtigte Eindringen
von Fremdstoffen und insbesondere von Reaktionsgemisch zu verhindern.
Bedarfsweise können
auch mehrere Magnetrone in einer Parallelschaltung zur Anwendung
gelangen.
-
Die
Einfüllöffnung 8 für das erste
Reaktionsgemisch 4 ist durch eine Abschirmeinrichtung 9 für Mikrowellen
verschließbar.
Die Abschirmeinrichtung 9 besteht aus einem metallischen
Schieberventil, das mit einer automatischen Betätigungseinrichtung verbunden
sein kann. Es wird während
der Einleitung von Mikrowellen durch das Magnetron 6 geschlossen.
Die Betätigungseinrichtung
kann aus einer Kolben-/Zylindereinheit bestehen, die mit dem Schieberventil
zusammenwirkt.
-
Das
Schieberventil ist außerdem
zumindest vakuumbeständig,
was es gestattet, dem Schaumstoffkörper 1 während seiner
Bildung aus dem ersten Reaktionsgemisch durch Anlegen eines Vakuums
an die Kavität
ein besonders geringes Raumgewicht zu geben und den Aufschäumprozess
zu beschleunigen.
-
Das
Schieberventil kann auch überdruckbeständig ausgebildet
sein, was es gestattet, das Raumgewicht des Schaumstoffkörpers merklich
zu vergrößern und
dadurch eine höhere
Festigkeit des Verbundwerkstücks
zu erzielen.
-
Das
Werkzeugoberteil 3a und das Werkzeugunterteil 3b ist
außerdem
jeweils mit einer elektrischen Zusatzheizung 10 versehen,
die aus in Bohrungen angeordneten, elektrischen Widerständen besteht.
Die Widerstandsheizung ist so bemessen und geregelt, dass die Hohlform 3 insgesamt
eine durchschnittliche Basistemperatur von 45°C aufweist.
-
Funktion:
-
Die
in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung dient zum Herstellen von Verbundwerkstücken auf Polyurethanbasis,
die beispielsweise als Instrumententafeln in Kraftfahrzeugen zur
Anwendung gelangen können.
-
Dabei
in der offenen Hohlform 3 zunächst ein Verstärkungsteil
unter Zwischenfügung
eines pastösen
zweiten Reaktionsgemisches 5 im Bereich einer umlaufenden
Dichtzone aus zwei Segmenten 2a, 2b zusammengesetzt,
die gemein sam einen Hohlraum umschließen. Die beiden Segmente 2a, 2b sind
relativ zueinander und der geschlossenen Hohlform 3 durch
in der Zeichnung nicht wiedergegebene Steckverbinder und Niederhalter
unverrückbar
festgelegt. Außerdem
wird am Werkzeugoberteil eine vorgeformte und mit einer nach oben
zeigenden Ledernarbung versehene Abdeckfolie 11 festgelegt.
Die Hohlform ist durch die Zusatzheizung 10 auf eine Temperatur
von 40°C
erwärmt.
-
Nach
dem Schließen
der Hohlform wird die Abschirmeinrichtung 9, die aus einem
metallischen Schieberventil besteht, geöffnet, das erste Reaktionsgemisch
in die Hohlform eingegeben und das metallische Schieberventil anschließend wieder
verschlossen. Die beiden Reaktionsgemische 4, 5 werden
nachfolgend gemeinsam aktiviert, um den Schaumstoffkörper 1 zu
bilden und mit der Abdeckfolie sowie dem Verstärkungsteil 2 zu verkleben
sowie die Segmente 2a und 2b des Verstärkungsteils 2 unlösbar miteinander.
-
Das
erste Reaktionsgemisch 4, das Diisozyanat und Polyol als
Reaktionskomponenten enthält, wird
bei der Aktivierung durch die chemische Reaktion der Reaktionskomponenten
aufgebläht,
wobei es die Gestalt der Kavität
annimmt und damit zugleich in die Gestalt des Schaumformteils 1 überführt und
verfestigt wird, so dass es nach dem Öffnen des Werkzeugs 1 mit
dem an der Oberfläche
anhaftenden Oberflächenbezugsstoff
aus der Kavität
entnommen werden kann.
-
Das
zweite Reaktionsgemisch kann aus einer sich bei Raumtemperatur neutral
verhaltenden Diisocyanat- Polyolzusammensetzung bestehen, die erst
beim Erreichen der Aktivierungstemparatur anspringt und zu einem
ungeschäumten,
elastischen Polyurethan reagiert. Die Reaktion des Reaktionsgemisches
wird durch die Einstrahlung von Mikrowellen mittels des Magnetrons
aktiviert und beschleunigt.
-
Die
Einleitung der Mikrowellen erfolgt an einer Stelle. Die Einstrahlung
an mehreren, von einander örtlich
beabstandeten Stellen und parallel zu einander ist möglich und
bei großen
Teilen sinnvoll. Die Magnetrone sind dabei so geschaltet, dass sie
sich in ihrer Wirkung gegenseitig ergänzen. Hierdurch in Verbindung
mit einer durch Versuche ermittelten, optimierten Leistung werden
die beiden Reaktionsgemische 4, 5 zügig auf
ihre optimale Reaktionstemperatur erwärmt, was den Herstellprozess
der Verbundwerkstücke
erheblich beschleunigt.
-
Da
die Hohlform 3 durch die Zusatzheizung 10 bereits
vor Beginn des Prozesses eine Grundtemperatur von 45°C aufweist,
ist für
die Erwärmung
auf die optimale Reaktionstemperatur nur minimale Zeit erforderlich.
Die Taktzeiten bei der Herstellung von Schaumformteilen werden dadurch
erheblich vermindert, was unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten
von Vorteil ist.