DE102006039099B4

DE102006039099B4 - Spritzgießverfahren zur Herstellung eines geschäumten Bauteils

Info

Publication number: DE102006039099B4
Application number: DE102006039099A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Beckmann
Original assignee: MoellerTech GmbH; MollerTech GmbH
Current assignee: Vauth Sagel Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-19
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-08-20
Also published as: DE102006039099A1

Abstract

Spritzgießverfahren zur Herstellung eines geschäumten Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei in das thermoplastische Kunststoffmaterial ein chemisches und/oder ein physikalisches Treibmittel eingebracht, homogen verteilt und anschließend ein Schmelze-/Gasgemisch erzeugt wird, welches in eine Werkzeugkavität eingespritzt und dort aufgeschäumt wird, wobei zu Beginn des Einspritzvorgangs das freie Volumen der Werkzeugkavität zunächst im Angußbereich begrenzt wird und in einem Regelkreis die Einspritzgeschwindigkeit, der Einspritzdruck, der Formeninnendruck und die hieraus resultierende Werkzeugöffnungsbewegung erfaßt und das sich hierdurch ergebende größere Volumen der Werkzeugkavität in Abhängigkeit von den ermittelten Regelgrößen laufend so eingestellt wird, daß ein zum Aufschäumen führender Druckabfall in der Schmelze unterbunden wird und der Sättigungszustand in der Schmelze aufrechterhalten bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zur Herstellung eines geschäumten Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei in das thermoplastische Kunststoffmaterial ein physikalisches Treibmittel eingebracht, homogen verteilt und anschließend vollständig in der Schmelze in Lösung gebracht wird.
Für hochwertige Bauteile sind optische, haptische und akustische Eigenschaften von Bedeutung. Das optische Erscheinungsbild wird beeinflußt durch die Farbgebung und das Oberflächendesign, das beispielsweise durch entsprechende Oberflächenstrukturen wie einer Narbung gestaltet werden kann. Die haptischen Eigenschaften werden beeinflußt durch die Werkstoffeigenschaften (hart/weich) sowie durch das Berührungsempfinden (glatt/noppig/flauschig). Die akustischen Eigenschaften sind werkstoff- und verfahrensabhängig. Dabei führt die Gestaltung der Bauteile in Kombination mit Farben und Materialien/Oberflächen nicht nur zu einer praktischen, sondern auch einer sinnlichen Nutzung, wodurch sinnliche Reize ausgelöst werden, um das Kaufverhalten von Konsumenten zu beeinflussen.
Die Weichheit von Oberflächen kann dabei gesteigert werden, indem entsprechende thermoplastische Werkstoffe durch chemische oder physikalische Treibmittel aufgeschäumt werden. Chemische Treibmittel zersetzen sich bei Wärmeeinwirkung und spalten dabei ein Treibgas ab, das den Schaumvorgang bewirkt. Das Aufschäumen mit physikalischen Treibmitteln erfolgt mit Kohlendioxyd, Stickstoff oder Flüssigkeiten. Die Treibgase werden einer Schmelze zudosiert, wobei die Schmelze anschließend in einen Formhohlraum eingebracht wird und nach einem Expansionsvorgang eine Schaumstruktur entsteht. Die Porengröße kann dabei in Abhängigkeit von der Treibmittelmenge und dem Verfahrensablauf bestimmt werden. Ein besonders feinzelliger Schaum weist dabei Zellgrößen zwischen 0,005 und 0,05 mm auf und wird als mikrozellularer Schaum bezeichnet. Die gebildete Schaumstruktur hat allerdings den Nachteil, daß an der Schmelzefront die mit Gas beladenen Schmelzepartikel aufplatzen und durch weitere Fließbewegung in die Länge gezogen werden. Dabei ergibt sich durch Lichtbrechung der Eindruck einer schlierigen Oberfläche. Um dieser nicht akzeptablen Oberfläche entgegenzuwirken, sind verschiedene Verfahrensvarianten entwickelt worden.
Die DE 43 04 751 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Kunststoffteil so in einer Spritzgußform angeordnet wird, daß für eine schäumbare Masse ein Hohlraum verbleibt, in den die schäumbare Masse eingebracht und anschließend dieser Hohlraum vergrößert wird, um ein Zusatzvolumen für den Schaum zu schaffen. Da die schäumbare Masse zunächst in einen Hohlraum mit einem definierten Volumen eingebracht wird ist nicht auszuschließen, daß durch den Druckabfall in der Schmelze Treibgase frei werden und eine Teilschäumung an der Schmelzefront mit den genannten Nachteilen eintritt.
Die DE 25 14 243 A1 beschreibt einen Einsatz, der in einen Formhohlraum angeordnet und von einem Formelement gestützt wird. Während des Einbringen der schäumbaren Masse wird das stützende Formelement vom festen Einsatz wegbewegt und somit eine Formvergrößerung zum vollständigen Umschäumen des Kernelementes bewirkt. Während der Bewegung des Formelementes wird der Einsatz durch Stifte in Position gehalten. Auch bei diesem Verfahren treten die zuvor beschriebenen Oberflächenprobleme auf.
Die US 5,702,810 A beschreibt ein Verfahren, bei dem ein schäumbares Material auf ein Substrat aufgebracht wird, wobei das schäumbare Material in einen zweiten Hohlraum eingebracht wird und der Werkstoff hierbei nicht expandiert. Nachdem das schäumbare Material eine kompakte Randschicht gebildet hat, wird der Volumenbereich innerhalb des Formwerkzeuges vergrößert, um ein Aufschäumen zu ermöglichen. Um ein Aufschäumen der Schmelze beim Einspritzen zu vermeiden, muß ein entsprechend hoher Gegendruck während des Füllvorgangs aufgebracht werden, um eine vollständige Lösung des Treibmittels zu sichern. Ob und wie dieser Gegendruck eingestellt werden soll, ist nicht zu entnehmen. Außerdem wird das Füllverhalten der Werkzeugkavität durch die dann begrenzte Fließeigenschaft der Kunststoffschmelze beeinflußt, so daß bei längeren Fließwegen das Bauteil nicht vollständig gefüllt werden kann. Wie hier die entgegengesetzte Problemstellung zwischen hohem Gegendruck, um ein vorzeitiges Aufschäumen zu vermeiden, bei noch guten Fließeigenschaften zur Formfüllung gelost wird, ist ebenfalls nicht zu entnehmen.
Nach einem Bericht der Zeitschrift Modern Plastic aus März 1969 soll nach einem Verfahren das Aufschäumen beim Einspritzen in die Kavität vermieden werden, indem durch ein eingebrachtes Gas ein Gegendruck aufgebracht wird. Dieses Prinzip wird als Gasgegendruckverfahren bezeichnet. Es ist jedoch ein erheblicher Aufwand zur Abdichtung des Werkzeughohlraums in der Trennebene erforderlich.
Aus dem Dokument DE 195 25 663 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Polyurethanschaumformkörpern bekannt. Zur Vermeidung des zu frühen Aufbrechens großer Schaumblasen beim Einbringen einer treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze in eine Werkzeugkavität wird vorgeschlagen, bis zur Beendigung des Einfüllens der Schmelze einen Druck aufrecht zu erhalten, der größer als der Sättigungsdampfdruck des in der Reaktivmischung gelösten Kohlendioxids ist. Auf diese Weise sollen gleichmäßigere Porenstrukturen in dem geschäumten Bauteil erreicht werden.
Im Dokument US 4,133,858 A ist ein Spritzgießverfahren beschrieben, bei dem mittels Gegendruck in der Werkzeugkavität einer anfänglichen Blasenbildung beim Aufschäumen Widerstand entgegengesetzt wird, um so den Blasenbildungsprozeß hinsichtlich der Blasengröße zu beeinflussen.
Das Dokument EP 1 393 876 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumstoffkörpers aus einem thermoplastischen Kunststoff. Hierbei wird eine thermoplastische Schmelzmasse, die mit einem Treibmittel versehen ist, in eine Werk- zeugkavität eingespritzt. Die Schmelzmasse wird während des gesamten Formfüllvorganges derart unter Druck gehalten, daß ein Schäumen der Schmelzmasse in der Werkzeugkavität ausbleibt. Die Treibmittel beladene Schmelzmasse wird nach Abschluß der Formfüllung abgekühlt, zu einem Formrohling verfestigt, entformt und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt unter Wärmezufuhr zu einem Schaumstoffkörper geschäumt.
Das Dokument US 6,129,870 A betrifft ein Spritzgießverfahren, bei dem eine treibmittelhaltige Kunststoffschmelze in einer Werkzeugkavität eingespritzt wird. Hierbei entstehen für das herzustellende Bauteil im äußeren Randbereich ungeschäumte Strukturen. Um eine Dicke dieser ungeschäumten Wandabschnitte einzustellen, sieht das bekannte Verfahren vor, mittels Druckbeaufschlagung in der Werkzeugkavität das Auf schäumen des Treibmittels für eine bestimmte Zeit zu unterbinden. Die Prozeßsteuerung erfolgt mittels Erfassen des Vorschubs eines Einspritzbauteils und des Einspritzdrucks.
In dem Dokument DE 17 04 545 A ist ein Verfahren zum Herstellen geschäumter Spritzgußteile beschrieben. Hierbei wird eine treibmittelhaltige, warmplastische Kunststoffmasse in einen Formhohlraum eingebracht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgießverfahren aufzuzeigen, mit dem geschäumte Bauteile hergestellt werden können, die frei von Oberflächenfehlern sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zu Beginn des Einspritzvorgangs das freie Volumen der Werkzeugkavität zunächst im Angußbereich begrenzt wird und in einem Regelkreis die Einspritzgeschwindigkeit, der Einspritzdruck, der Formeninnendruck und die hieraus resultierende Werkzeugöffnungsbewegung erfaßt und das sich hierdurch ergebende größere Volumen der Werkzeugkavität in Abhängigkeit von den ermittelten Regelgrößen laufend so eingestellt wird, daß ein Druckabfall in der Schmelze unterbunden wird, der zu einem Aufschäumen führt, und der Sättigungszustand in der Schmelze aufrechterhalten bleibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Werkzeug analog zu dem im Regelkreis vorgegebenen Parametern kontinuierlich geöffnet wird, bis die Werkzeugkavität mit dem ungeschäumten Material mindestens > 90% gefüllt ist. In Ausgestaltung der Erfindung wird die Werkzeugkavität in einem zweiten Schritt weiter aufgefahren zur Erzielung einer gewünschten Bauteildikke mit geschäumtem Kernbereich.
Über den Regelkreis wird dabei ein besonders sensibles System geregelt, da die Forderung nach einem hohen Gegendruck zur Unterbindung des Druckabfalls in der Schmelze und einem geringen Einspritzdruck zum Füllen der Werkzeugkavität an sich gegenläufig ist. Dabei ergibt sich eine Druckdifferenz zwischen Anguß und entfernt liegenden Bauteilbereichen, die durch einen hohen Spritzdruck ausgeglichen werden muß. Durch die Erfassung von Spritzdruck einerseits und Forminnendruck an verschiedenen Stellen der Werkzeugkavität kann die Werkzeugöffnungsbewegung beim Einspritzen so geregelt werden, daß ein über den Füllverlauf genügend hoher Gegen– druck aufgebaut wird und sich andererseits die Schmelze auch in weiter vom Anguß liegende Bereiche durch kontinuierliche Reduzierung des Fließwiderstandes ausbreiten kann. Durch die Regelung zwischen Einspritzdruck, Formöffnungsbewegung und Werkzeuginnendruck werden auch Viskositätsunterschiede in der Schmelze erfaßt und ausgeglichen.
Bei einer Variante der Erfindung kann nach Füllung der Werkzeugkavität von > 70% durch eine Schließbewegung über das Werkzeug ein Druck auf die Schmelze ausgeübt und durch den Druck eine vollständige Füllung der Werkzeugkavität mit ungeschäumter Schmelze und gleichzeitig eine Verbesserung der Oberfläche erzielt werden. Nach Beendigung der Schließbewegung kann eine Vergrößerung der Werkzeugkavität eingeleitet werden, wobei die Möglichkeit der Vergrößerung im gesamten Konturenbereich oder in Teilbereichen möglich ist. Dadurch erfolgt ein Druckabfall zur Bildung des Schaumes. Durch die zeitliche Varianz der Öffnungsbewegung des Werkzeugs ist die kompakte Bauteilaußenschicht in der Wandstärke beeinflußbar. Es besteht die Möglichkeit, die Öffnungsbewegung zur Herstellung der gewünschten Endwandstärke in einem Schritt, in mehreren Teilschritten oder kontinuierlich zeitlich verzögert durchzuführen. Die Einbringung der Schmelze kann bei Erfordernis durch mehrere Angüsse erfolgen.
Es besteht die Möglichkeit, analog zu den im Regelkreis vorgegebenen Parametern eine oder mehrere mit der Werkzeugkavität in Verbindung stehende(n) Nebenkavität (en) zu öffnen, um den Schaumvorgang einzuleiten und die überschüssige Schmelze aufzunehmen. Als thermoplastische Basiswerkstoffe können verstärkte und unverstärkte Basiswerkstoffe auf synthetischer und/oder biologischer Basis verwendet werden.
Um eine optische Aufwertung zu erreichen, können dem thermoplastischen Werkstoff Farbpigmente zugesetzt werden, wobei vorteilhafterweise als Farbpigmente solche Farbpigmente verwendet werden, die über eine hohe Reflexion des Sonnenlichtes im nahen Infrarot verfügen und das Aufheizverhalten des Innenraumes von Kraftfahrzeugen durch Sonneneinwirkung reduzieren.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen aufgezeigt.
Bauteile im Sinne der Erfindung sind zwei- oder dreidimensionale Schaumteile unterschiedlicher Wandstärke und verschiedener Härte. Somit sind auch weiche, dreidimensional hergestellte Folien gemeint, die aufgrund ihrer Flexibilität auch mit Hinterschneidungen entformbar sind und in weiteren Dekorationsverfahren eingesetzt werden können. Als Oberfläche kommen alle Dekore in Betracht, die direkt oder nachträglich aufgebracht werden können. Hierzu zählt auch die sogenannte Abformnarbung, die direkt im Produktionswerkzeug erzeugt werden kann. Auch ist das Verfahren nicht nur auf ein Einstoffsystem begrenzt. Vielmehr läßt sich die geschäumte Schicht auch auf einen anderen Basiswerkstoff aufbringen, wie dieses nach dem soge nannten Overmolding-Verfahren geschieht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile mit einem feinzelligen Schaum mit Zellgrößen zwischen 0,005 und 0,05 mm hergestellt werden.

Claims

Spritzgießverfahren zur Herstellung eines geschäumten Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei in das thermoplastische Kunststoffmaterial ein chemisches und/oder ein physikalisches Treibmittel eingebracht, homogen verteilt und anschließend ein Schmelze-/Gasgemisch erzeugt wird, welches in eine Werkzeugkavität eingespritzt und dort aufgeschäumt wird, wobei zu Beginn des Einspritzvorgangs das freie Volumen der Werkzeugkavität zunächst im Angußbereich begrenzt wird und in einem Regelkreis die Einspritzgeschwindigkeit, der Einspritzdruck, der Formeninnendruck und die hieraus resultierende Werkzeugöffnungsbewegung erfaßt und das sich hierdurch ergebende größere Volumen der Werkzeugkavität in Abhängigkeit von den ermittelten Regelgrößen laufend so eingestellt wird, daß ein zum Aufschäumen führender Druckabfall in der Schmelze unterbunden wird und der Sättigungszustand in der Schmelze aufrechterhalten bleibt.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug analog zu dem im Regelkreis vorgegebenen Parametern kontinuierlich geöffnet wird bis die Werkzeugkavität mit dem ungeschäumten Material mindestens > 90% gefüllt ist.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugkavität in einem zweiten Schritt weiter aufgefahren wird zur Erzielung einer gewünschten Bauteildicke mit geschäumten Kernbereich.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Füllung der Werkzeugkavität von > 70% durch eine Schließbewegung über das Werkzeug ein Druck auf die Schmelze ausgeübt und durch den Druck eine vollständige Füllung der Werkzeugkavität mit ungeschäumter Schmelze erfolgt und gleichzeitig eine Verbesserung der Oberfläche erzielt wird.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung der Schließbewegung eine Vergrößerung der Werkzeugkavität eingeleitet wird.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Werkzeugkavität im gesamten Konturbereich erfolgt.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Werkzeugkavität in Teilbereichen erfolgt.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zeitliche Varianz der Öffnungsbewegung des Werkzeugs die kompakte Bauteilaußenschicht in der Wandstärke beeinflußbar ist.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewegung zur Herstellung der gewünschten Endwandstärke in einem Schritt durchgeführt wird.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewegung zur Herstellung der gewünschten Endwandstärke in mehreren Teilschritten durchgeführt wird.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewegung zur Herstellung der gewünschten Endwandstärke kontinuierlich zeitlich verzögert durchgeführt wird.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung der Schmelze durch mehrere Angüsse erfolgt.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß analog zu dem im Regelkreis vorgegebenen Parameter eine oder mehrere mit der Werkzeugkavität in Verbindung stehende(n) Nebenkavität(en) geöffnet wird (werden), um den Schäumvorgang einzuleiten und die überschüssige Schmelze aufzunehmen.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastische Basiswerkstoffe verstärkte und unverstärkte Basiswerkstoffe auf synthetischer und/oder biologischer Basis verwendet werden.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem thermoplastischen Basiswerkstoff Farbpigmente zugesetzt werden.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbpigmente solche Farbpigmente verwendet werden, die über eine hohe Reflexion des Sonnenlichts im nahen Infrarot verfügen und das Aufheizverhalten des Innenraumes von Kraftfahrzeugen reduzieren.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung innerhalb der Werkzeugkavität durch eine Öffnungsbewegung erzielt wird.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung innerhalb der Werkzeugkavität auch integrierte Schieber/Schieberelemente, die unabhängig von einer Werkzeugbewegung für eine Druckregelung sorgen, erzielt wird.
Kunststoffbauteil, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch zwei- oder dreidimensionale Schaumteile unterschiedlicher Wandstärke und verschiedener Harte.
Kunststoffbauteil nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch weiche dreidimensionale Folien.
Kunststoffbauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien mit Hinterschneidungen entformbar sind.
Kunststoffbauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch Abformnarbungen hergestellt ist.
Kunststoffbauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 22, gekennzeichnet durch einen feinzelligen Schaum mit Zellgrößen zwischen 0,005 bis 0,05 mm.