DE102007004415A1

DE102007004415A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunstoffbauteils

Info

Publication number: DE102007004415A1
Application number: DE102007004415A
Authority: DE
Inventors: Roman Lesser; Ruediger Poltrock; Dienhung Huynh; Richard Paulicks; Stefan Koensgen; Milan Jovanovic; Juergen Bruegl; Christine Dragan; Florian Lechner; Willibald Holzapfel; Cornelia Schäfer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: DE102007004415B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils wird mindestens ein Trägerbauteil und/oder eine Oberflächenschicht in einem Werkzeug von einem Kunststoff zumindest teilweise umschäumt, wobei mindestens ein formschlüssig wirkendes Verbindungselement zum Verbinden des Trägerbauteils und/oder der Oberflächenschicht mit dem Kunststoff vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils.
Es ist bekannt, mehrschichtige Kunststoffbauteile, beispielsweise hochwertige Interieurbauteile für Automobile, mittels eines Hinterschäumprozesses herzustellen. Hierbei wird in der Regel eine Oberflächenschicht, die aus einem den optischen und haptischen Anforderungen, die an ein solches Bauteil gestellt werden, entsprechenden Material besteht und zudem strukturiert sein kann, um dem Bauteil eine ansprechende und gegebenenfalls natürlich aussehende Oberfläche zu verleihen, zusammen mit einem Trägerbauteil, das zur Befestigung des Bauteils im Innenraum des Automobils dient, in eine Spritzgussform eingelegt und der Zwischenraum zwischen diesen beiden Elementen mit einem Kunststoff (häufig ein Polyurethan(PUR)-Schaum) ausgeschäumt. Der Hinterschäumprozess ermöglicht, ein Kunststoffbauteil herzustellen, das vielfältigen Anforderungen genügt. Wie bereits ausgeführt wurde, kann durch die Vorsehung der Oberflächenschicht eine den optischen und haptischen Anforderungen entsprechende Oberfläche geschaffen werden. Durch das Hinterschäumen mit eingespritztem Kunststoff kann gleichzeitig ein geometrisch komplexes Bauteil erzeugt werden, wobei die Verwendung eines elastischen oder Energie absorbierenden Kunststoffs ermöglicht, die an ein Interieurbauteil eines Kraftfahrzeugs hinsichtlich des Crashverhaltens gestellten Anforderungen zu erfüllen. Das in der Regel aus einem steifen Material gebildete Trägerbauteil stellt dagegen die für die Anbindung in das Fahrzeug erforderliche Schnittstelle dar. Das Hinterschäumen ermöglicht somit ein Bauteil herzustellen, das sicher in einem Fahrzeug befestigt werden kann, sich bei einem Aufprall eines Gegenstands durch eine hohe Energieabsorption auszeichnet und gleichzeitig – trotz notwendiger geometrischer Komplexität – die an das Bauteil gestellten optischen und haptischen Anforderungen erfüllt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hinterschäumprozessen beruht die Verbindung zwischen den Schichten des Bauteils (Oberflächenschicht, geschäumte Zwischenschicht, Trägerbauteil) auf Adhäsion, wobei in der Regel während des Aushärtens der Zwischenschicht chemische Bindungen zwischen den Molekülen der Fügepartner entstehen. Eine solche Reaktion erfordert jedoch in der Regel eine Oberflächenvorbehandlung des Trägerbauteils bzw. der Oberflächenschicht, beispielsweise mittels Beflammen. Dies ist folglich mit einem hohen Produktionsaufwand verbunden.
Weiterhin ergibt sich bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Hinterschäumprozess eine unlösbare Verbindung zwischen den einzelnen Schichten. Daher muss bei Problemen im Produktionsprozess in der Regel das gesamte (Sandwich-)Bauteil entsorgt werden – eine Wiederverwendung beispielsweise des Trägerbauteils ist nicht möglich. Auch ist es nicht möglich ein auf diese Weise erzeugtes Interieurbauteil aufgrund der festen Anbindung des Trägerbauteils in dem Fahrzeug ohne großen Aufwand auszutauschen. Es wäre jedoch vorteilhaft, eine Änderung der Optik und/oder Haptik der Bauteile auf einfache Weise zu gewährleisten, indem nur die Oberflächenschicht gegebenenfalls in Verbindung mit der Zwischenschicht ersetzt würde.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das zumindest einen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil verringert. Insbesondere soll ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils angegeben werden, dass eine vorteilhafte Verbindung zwischen den einzelnen Schichten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, bei der Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils mittels eines Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere mittels eines Hinterschäumprozesses, mindestens ein Verbindungselement vorzusehen, das mit dem Trägerbauteil und/oder einer gegebenenfalls vorzusehenden Oberflächenschicht verbunden ist, und das eine formschlüssige Verbindung mit dem geschäumten Kunststoff eingeht.
Vorzugsweise ist das Verbindungselement derart ausgebildet, dass es (nach dem Aushärten des geschäumten Kunststoffs) eine formschlüssige Verbindung mit dem geschäumten Kunststoff eingeht. Hierzu kann das Verbindungselement einen (hinterschnittigen) Absatz aufweisen, der zumindest teilweise von dem Kunststoff umschäumt wird, und auf diese Weise einen Formschluss herstellt.
Folglich wird die Verbindung zwischen der/den Schicht(en) eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils erfindungsgemäß über mindestens ein formschlüssig wirkendes Verbindungselement bewirkt. Vorzugsweise sind daher die Werkstoffe der Schichten, die über das/die Verbindungselement(e) verbunden sind, derart gewählt, dass eine wesentliche adhäsive Bindung nicht eintritt.
Unter adhäsiver Bindung wird erfindungsgemäß jede Verbindung verstanden, die auf einer chemischen, thermodynamischen oder mikromechanischen Bindung der zwei Fügepartner beruht. Insbesondere kommen hier chemische Verbindungen zwischen den Molekülen der Fügepartner während des Aushärtens des eingespritzten Kunststoffs in Frage.
Beispielsweise kann hierfür Polyurethan als geschäumter Kunststoff zur Anwendung kommen, während das Trägerbauteil bzw. die Oberflächenschicht zumindest teilweise aus Polypropylen besteht. Aufgrund der fehlenden adhäsiven Bindung zwischen den Schichten kann ein einfaches Lösen der Schichten voneinander möglich sein. Hierzu muss lediglich die formschlüssige Verbindung, die von dem mindestens einen Verbindungselement eingegangen wird, gelöst werden. Je nach Ausbildung des Verbindungselements und dem verwendeten geschäumten Kunststoff kann das Lösen dieser Verbindung zerstörend oder zerstörungsfrei sein. Ein zerstörungsfreies Lösen der Verbindung kann beispielsweise mit einem in ausreichendem Maße elastisch verformbaren Kunststoff(schaum) in Verbindung mit abgerundeten Kanten der hinterschnittigen Vorsprünge erzielt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Verbindungselement zweiteilig ausgeführt sein, wobei die zwei Teile des Verbindungselements form- und/oder kraftschlüssig und vorzugsweise lösbar miteinander verbunden sein können. Während der eine Teil mit dem Trägerbauteil oder der Oberflächenschicht verbunden sein kann, wird der andere Teil erfindungsgemäß formschlüssig von dem eingespritzten Kunststoff umschäumt. Ein Lösen der aufgeschäumten Schicht von dem Trägerbauteil bzw. der Oberflächenschicht kann in diesem Fall durch das Lösen der Verbindung zwischen den beiden Teilen des Verbindungselements erfolgen. Dies ermöglicht beispielsweise bei einem Interieurbauteil eines Fahrzeugs ein einfaches und zerstörungsfreies Auswechseln der Oberflächenschicht einschließlich der aufgeschäumten Zwischenschicht (Dekorschicht), so dass diese gegen eine zweite Dekorschicht mit einer anderen Optik/Haptik ausgetauscht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Verbindung zwischen dem Trägerbauteil und dem Kunststoffschaum mittels der erfindungsgemäßen Verbindungselemente erreicht, während eine zusätzlich vorgesehene Oberflächenschicht eine adhäsive Bindung mit dem Kunststoffschaum (Zwischenschicht) eingeht. Dies kann produktionstechnische Vorteile haben, da als Oberflächenschicht in der Regel dünnewandige Folien zum Einsatz kommen, die das Erzeugen komplexer Bauteilgeometrien zulassen, jedoch für eine Integration eines erfindungsgemäßen Verbindungselements weniger geeignet sind. Werkstoffkombinationen, die eine adhäsive Verbindung der zwei Schichten ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann hierfür PUR-Schaum mit einer Oberflächenschicht aus kompaktem PUR kombiniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils, kann vorteilhafterweise folgende Verfahrensschritte umfassen:

– Positionieren von mindestens einem Trägerbauteil und/oder einer Oberflächenschicht in einer Schäumform, wobei das Trägerbauteil und/oder die Oberflächenschicht mindestens ein Verbindungselement mit mindestens einem Absatz aufweist.
– Einschäumen eines Kunststoffs in die Form derart, dass der Kunststoff zumindest den Absatz des Verbindungselements umgibt, so dass nach dem Aushärten des eingespritzten Kunststoffs eine formschlüssige Verbindung zwischen diesem und dem Trägerbauteil bzw. der Oberflächenschicht hergestellt ist.

Erforderlich ist somit, dass die Verbindungselemente so in der Form angeordnet werden, dass sie von dem eingespritzten Kunststoff umschäumt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen die
1 bis 4: Ausschnitte von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kunststoffbauteilen mit alternativen Verbindungselementen.
In 1 ist ein Ausschnitt eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kunststoffbauteils dargestellt. Das mehrschichtige Bauteil weist ein Trägerbauteil 1 mit einem daran befestigten Verbindungselement 2 auf. Das Verbindungselement 2 weist einen im Querschnitt kreisförmigen Steg mit einem im Querschnitt ebenfalls kreisförmigen Kopf auf. Der Durchmesser des Kopfs ist deutlich größer als derjenige des Stegs, so dass (von oben gesehen) ein Hinterschnitt gebildet wird, der von dem Kunststoffschaum einer Zwischenschicht 3 umschlossen ist. Weiterhin sind die Kanten des Kopfs abgerundet ausgebildet, um ein nachträgliches Lösen der Zwischenschicht 3 mitsamt der damit unlösbar verbundenen Oberflächenschicht 4 zu vereinfachen, und in Verbindung mit einer entsprechenden Elastizität der Zwischenschicht 3 auch ein zerstörungsfreies Lösen zu ermöglichen. Die Werkstoffe des Trägerbauteils 1 sowie der Zwischenschicht 3 sind so gewählt, dass eine wesentliche adhäsive Bindung zwischen diesen beiden Schicht nicht stattfindet.
Das in 2 dargestellte Bauteil unterscheidet sich von demjenigen der 1 in der Ausgestaltung des Verbindungselements 2', dessen Kopf ohne abgerundete Kanten ausgebildet ist. Dadurch kann eine festere Verbindung zwischen dem Trägerbauteil 1' und der Zwischenschicht 3' erzielt werden, als dies bei der Ausführungsform gemäß 1 der Fall ist. Ein Lösen ist hierbei jedoch in der Regel mit einer lokalen Zerstörung der Zwischenschicht verbunden.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform kommt ein zweiteiliges Verbindungselement 2'' in Form eines Druckknopfverschlusses zum Einsatz. Während der untere Teil des Druckknopfverschlusses 2'' mit dem Trägerbauteil 1'' verbunden ist, ist der obere Teil in oder an der Zwischenschicht 3'' befestigt. Hierzu weist der obere Teil des Druckknopfverschlusses 2'' ein Verbindungselement (nicht dargestellt) mit einem Absatz auf, das von dem eingespritzten Kunststoff umschäumt wird und somit für eine formschlüssige Verbindung sorgt. Die Verbindung zwischen den zwei Teilen des Druckknopfverschlusses 2'' und folglich zwischen dem Trägerbauteil 1'' und der Zwischenschicht 3'' wird durch ein Einrasten des auf dem unteren Teil des Druckknopfverschlusses 2'' vorgesehenen, ringförmigen Vorsprungs in eine korrespondierende Nut (nicht dargestellt) auf der Innenseite des oberen Teils des Druckknopfverschlusses 2'' erreicht. Die Verwendung eines Druckknopfverschlusses ermöglicht eine zerstörungsfreie und wiederverwendbare Verbindung der Schichten untereinander.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform kommt ein zweiteiliges Verbindungselement 2''' in Form eines Klettbands zum Einsatz. Während der untere Teil des Klettbands mit dem Trägerbauteil 1''' verbunden ist, ist der obere Teil in oder an der Zwischenschicht 3''' befestigt. Hierzu weist der obere Teil des Klettbands ein Verbindungselement (nicht dargestellt) mit einem Absatz auf, das von dem eingespritzten Kunststoff umschäumt wird und somit für eine formschlüssige Verbindung sorgt. Die Verbindung zwischen dem Trägerbauteil 1''' und der Zwischenschicht 3''' wird durch ein Verhaken der Widerhaken des unteren Klettbandteils in den Schlaufen des oberen Klettbandteils erreicht. Die Verwendung eines Klettbands ermöglicht ebenfalls eine zerstörungsfreie und wiederverwendbare Verbindung der Schichten untereinander.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils, wobei mindestens ein Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') und/oder eine Oberflächenschicht (4) in einem Werkzeug von einem Kunststoff zumindest teilweise umschäumt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (2, 2', 2'', 2''') zum formschlüssigen Verbinden des Trägerbauteils (1, 1', 1'', 1''') und/oder der Oberflächenschicht (4) mit dem Kunststoff vorgesehen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Verbindungselements (2, 2', 2'', 2''') mit einem Absatz, wobei der Absatz zumindest teilweise von dem Kunststoff umschäumt wird, so dass sich nach dem Aushärten des Kunststoffs eine formschlüssige Verbindung zwischen diesem und dem Verbindungselement (2, 2', 2'', 2''') ergibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (2, 2', 2'', 2''') mit dem Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') verbunden ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe für das Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') und den Kunststoff derart gewählt sind, dass keine wesentliche adhäsive Verbindung zwischen diesen stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Polypropylen für das Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') und Polyurethan als Kunststoff.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe für die Oberflächenschicht (4) und den Kunststoff derart gewählt sind, dass eine adhäsive Verbindung zwischen diesen stattfindet.
Verwendung eines Verbindungselements (2, 2', 2'', 2''') mit mindestens einem hinterschnittigen Absatz zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einem geschäumten Kunststoff und einem Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') und/oder einer Oberflächenschicht (4) bei einem Hinterschäumprozess.
Verwendung eines Verbindungselements gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (2, 2') einen Steg und einen im Vergleich zum Steg im Querschnitt vergrößerten Kopf aufweist.
Mehrschichtiges Kunststoffbauteil mit mindestens einem Trägerbauteil (1, 1', 1'', 1''') und/oder einer Oberflächenschicht (4) und einer Schicht (3, 3', 3'', 3''') aus einem geschäumten Kunststoff, gekennzeichnet durch mindestens ein Verbindungselement (2, 2', 2'', 2''') mit einem Absatz zum formschlüssigen Verbinden des Trägerbauteils (1, 1', 1'', 1''') und/oder der Oberflächenschicht (4) mit dem geschäumten Kunststoff, wobei der Absatz des Verbindungselements (2, 2', 2'', 2''') von dem Kunststoff der Zwischenschicht zumindest teilweise umschäumt ist.