DE102007004697A1

DE102007004697A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Bauteils

Info

Publication number: DE102007004697A1
Application number: DE102007004697A
Authority: DE
Inventors: Roland Riepl
Original assignee: GREINER PERFOAM GmbH
Current assignee: GREINER PERFOAM GmbH
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2007-08-23
Also published as: AT503268B1; CZ2007132A3; AT503268A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Bauteils (1) aus mit zumindest einer Deckschicht (2) versehenem Schaumstoff, insbesondere eines Fahrzeugteils, bei dem in einen durch ein Ober- (10) und ein Unterwerkzeug (9) gebildeten Formhohlraum (6) eines Schäumwerkzeuges (8) die Deckschicht (2) eingelegt und ein aufschäumbares Gemisch aus einem Kunststoff-Rohstoff mit Fasern (4) in den Formhohlraum (6) eingebracht und dieses zur Reaktion gebracht wird. Die Deckschicht (2) wird zumindest während des Einbringens des aufschäumbaren Gemisches vom Oberwerkzeug (10) durch einen zwischen dem Oberwerkzeug (10) und der Deckschicht (2) anliegenden Unterdruck gehalten und das Gemisch auf und/oder durch das Unterwerkzeug (9) aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Bauteils aus Schaumstoff, insbesondere eines Fahrzeugteils, bei dem in einem durch ein Ober- und ein Unterwerkzeug gebildeten Formhohlraum eines Schäumwerkzeuges ein Einlegeteil eingelegt und ein aufschäumbares Gemisch aus einem Kunststoff-Rohstoff mit Fasern in den Formhohlraum eingebracht und dieses zur Reaktion gebracht wird, sowie ein Schäumwerkzeug umfassend zumindest ein Unterwerkzeug und zumindest ein Oberwerkzeug, die im zusammengesetzten Zustand einen Formhohlraum definieren.

Es ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt, temperaturabhängig aushärtbare Kunststoffschäume, wie z.B. Polyurethan (PU) Schäume, in Werkzeuge einzubringen, wobei diese Werkzeuge üblicherweise als mehrteilige Formwerkzeuge, die insbesondere aus einer Ober- bzw. Unterform bestehen, gebildet sind. Nach dem Einbringen des Kunststoffschaumes in den vom Werkzeug gebildeten Formhohlraum erfolgt aufgrund erhöhter thermischer bzw. erhöhter Druckbelastung eine chemische Reaktion des duroplastischen Kunststoffschaumes, insbesondere PU-Schaumes, bei der der Kunststoffschaum expandiert und vernetzt, also aushärtet.

Zur Festigkeitssteigerung von Kunststoffschäumen sind Verfahren bekannt, bei denen dem Kunststoffschaum im nicht verfestigten Zustand Fasern bzw. Faserstrukturen beigemengt werden, wodurch ein Faser-Kunststoffschaum-Gemisch gebildet wird, welches eine wesentliche Verbesserung der Festigkeit bzw. Steifigkeit und der Schalldämpfungseigenschaften der gefertigten Bauteile mit sich bringt.

Weiters sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen in den Formhohlraum eines Werkzeuges verstärkende Zwischenlagen eingebracht werden, die von Kunststoffschaumma terial umhüllt werden, sodass sich durch die Zwischenlagen ein Verbundteil mit erhöhter Festigkeit bzw. Steifigkeit bildet.

Ein Verfahren, welches die genannten Verfahrensschritte in sich birgt, ist aus der DE 100 57 365 A1 bekannt. Diese DE 100 57 365 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffsandwichbauteiles nach dem LFI-Verfahren (Long Fibre-Injection), bei welchem in ein geeignetes Werkzeug ein Kunststoffschaum-Glasfasergemisch (LFI-Material) eingebracht wird. Zusätzlich zum Faser-Kunststoffschaum-Gemisch wird in das Werkzeug eine Zwischenschichtstruktur eingebracht, die in diesem Werkzeug vom Faserkunststoffschaumgemisch umhüllt wird, sodass in weiterer Folge durch Schließen des Werkzeuges die Formgebung und das Aushärten des Sandwichbauteils im Werkzeug erfolgt.

Zur Anordnung von Einlegeteilen in einem Fahrzeugteil während des Aufschäumens im Schäumwerkzeug ist aus der DE 103 28 045 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Fahrzeugteils, insbesondere eines Fahrzeuginnenhimmels, bekannt, nachdem dieser Einlegeteil mit einem Magneten im Schäumwerkzeug gehalten wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Bauteils, zumindest teilweise bestehend aus Schaumstoff, sowie ein Schäumwerkzeug hierfür zu schaffen, mit dem es möglich ist Deckschichten für derartige Bauteile zumindest in der Anfangsphase des Verfahrens sicher und einfach zu halten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren die Deckschicht zumindest während des Einbringens des aufschäumbaren Gemisches vom Oberwerkzeug gehalten und das Gemisch für den Schaumstoff auf und/oder durch das Unterwerkzeug aufgebracht wird bzw. durch ein Schäumwerkzeug, bei dem im Oberwerkzeug zumindest ein Durchbruch zum Anlegen eines Unterdruckes angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Deckschicht zumindest so lange positioniert gehalten wird, bis ein Verrutschen derselben im Schäumwerkzeug praktisch nicht mehr möglich ist. D.h. dass der Unterdruck so lange für die Halterung der Deckschicht anliegen kann, bis der Schäumdruck durch das Aufschäumen des Schaumstoffgemisches einen entsprechenden Druck auf die Deckschicht ausübt, wodurch die Deckschicht in der Folge zumindest teilweise über diesen Schäumdruck für das weitere Verfahren gehalten werden kann. Selbstverständlich ist es aber möglich, dass der Unterdruck auch in diesen Verfahrensstadien weiter anliegt, sodass also der Schäumdruck unterstützend zur positionsgenauen Halterung der Deckschicht beiträgt. Für den Fall, dass der Unterdruck bis oder im letzten Verfahrensschritt anliegt, ist es möglich, dass das Oberwerkzeug auch zum Verbringen des Schaumstoffbauteils aus dem Schäumwerkzeug verwendet wird und der Unterdruck erst dann beseitigt wird, wenn dieses Oberwerkzeug einen entsprechenden Ablageplatz für das Bauteil erreicht hat. Es kann damit gegebenenfalls auf zusätzliche Greifelemente zur Erfassung zum Austragen des fertigen Bauteils aus dem Schäumwerkzeug, d.h. der Form, verzichtet werden. Weiters kann damit das Einlegen der Deckschicht in das Schäumwerkzeug vereinfacht bzw. unterstützt werden, indem bei entsprechender Anpassung des anliegenden Unterdruckes an die Deckschicht, diese, entsprechend der Kontur des Oberwerkzeuges angepasst, sich mehr oder weniger selbsttätig in der Form positioniert.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gemisch für den Schaumstoff durch zumindest eine Bohrung im Unterwerkzeug eingebracht wird. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass dieses Gemisch direkt durch die Bohrung geführt wird, beispielsweise eingespritzt wird, bzw. ist es auch möglich, dass durch diese Bohrung beispielsweise eine Lanze oder Düse geführt wird, aus der das Gemisch dann in den Formhohlraum eintritt. Letztere Variante hat den Vorteil, dass damit diese Bohrung zumindest im Wesentlichen frei von Verunreinigungen bleibt. Das Einführen des Gemisches über die Bohrung kann darüber hinaus den Vorteil haben, dass damit ein Zentrieren des Formwerkzeugs ermöglicht wird, beispielsweise wenn mehrere Formen bzw. Schäumwerkzeuge aus einer Art Karussell angeordnet sind und durch Verdrehen des Karussells nacheinander einer Zufuhr für das Gemisch zugeführt werden. Es ist damit also ein vereinfachter und ein genauerer Verfahrensablauf bzw. Bewegungsablauf einer Schäumvorrichtung möglich.

Das Gemisch für den Schaumstoff kann bei geschlossenem Schäumwerkzeug eingebracht werden, wenngleich es auch möglich ist, das Gemisch bei geöffnetem Werkzeug auf das Unterwerkzeug aufzutragen. Die Ausführungsform mit geschlossenem Werkzeug hat den Vorteil, dass damit ein Verschmutzen der Anlageflächen der beiden Formhälften zumindest großteils verhindert werden kann. Darüber hinaus kann damit auch die Taktzeit erhöht werden, da das Schließen der Form bereits während eines Zeitpunktes erfolgen kann, zudem noch eine andere Form im Bereich der Zuführung des Gemisches in die Form vorhanden ist.

Für die Deckschicht kann vorteilhafterweise ein Werkstoff verwendet werden, der eine bleibende Materialverformung erlaubt, sodass also auch nach dem Ausformen des Bauteils die Kontur desselben erhalten bleibt. Es kann damit verhindert werden, dass in Bereichen, wo der Druck durch den aufgeschäumten Schaumstoff nach dem Ausformen so groß ist, dass damit unter Umständen eine Formveränderung des Bauteils einhergeht, keine negativen Auswirkungen auf das Bauteil selbst hat. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Form und Passgenauigkeit des Bauteils hiermit verbessert werden.

Die Formgebung der Deckschicht kann gemäß einer Ausführungsvariante durch Zug- oder Druckverformung, vorzugsweise Tiefziehen, zumindest teilweise vor dem Einlegen in das Schäumwerkzeug erfolgen. Es kann damit wiederum die Taktzeit erhöht werden, da der Arbeitsschritt „Formgebung der Deckschicht" vom Arbeitsschritt „Einbringen des Gemisches" völlig unabhängig durchgeführt werden kann.

Ebenso ist es auch möglich, gemäß einer Variante hierzu, dass die Form- bzw. Konturbildung der Deckschicht im Formhohlraum des Schäumwerkzeuges selbst erfolgt, insbesondere mittels Unterdruck und/oder durch den Schäumdruck. Der Vorteil, der hiermit erreicht werden kann, ist, dass die Deckschicht sich genau an die Kontur des Oberwerkzeuges anpasst, wodurch wiederum die Anzahl möglicher Fehlorientierungen der Deckschicht im Schäumwerkzeug verringert werden kann. Der Unterdruck kann dabei variiert werden, beispielsweise ist es möglich im Anfangsstadium, also zur Konturbildung der Deckschicht, einen höheren Unterdruck anzulegen, als dies in der Folge während des Einbringens und/oder Aufschäumens des Gemisches für Schaumstoff der Fall ist. Zur Formbildung kann dabei unterstützend der Schäumdruck verwendet werden, sodass zusätzliche Energie, die für den Aufbau des Unterdruckes erforderlich ist, reduziert werden kann. Andererseits kann bei sehr dünnen Deckschichten, beispielsweise Folien, es durchaus ausreichend sein, diese Formgebung durch den Schäumdruck alleine bereit zu stellen.

Wie bereits erwähnt, kann als Deckschicht eine Folie, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, verwendet werden, wobei diese Folie gemäß einer Ausführungsvariante hierzu ausgewählt werden kann aus einer Gruppe umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyester. Es ist damit eine einfache Anpassung, d.h. Formgebung der Folie, mit bleibender Formgebung möglich. Darüber hinaus kann die unterhalb angeord nete Schaumstoffschicht durch diese Deckschicht vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt werden.

Möglich ist auch, dass die Deckschicht eine Dekorschicht ist, die z.B. aus Holz-, Faser-, Filz- oder Textilmaterial besteht. Damit kann erreicht werden, dass das ausgeformte Bauteil bereits fertig für den Einbau ist, wobei dieses Bauteil auch an sichtbaren Stellen eingesetzt werden kann. Zudem ist es damit möglich, dass dem Bauteil ein an die Umgebung angepasstes Aussehen verliehen werden kann, sodass damit der Eindruck von edlen Materialien erweckt werden kann, wobei gleichzeitig das Bauteil selbst relativ kostengünstig herstellbar ist.

Als Kunststoff-Rohstoff kann eine Mischung aus zumindest einem Isocyanat und zumindest einem Polyol verwendet werden, wobei diese Mischung sowohl einkomponentig als auch mehrkomponentig sein kann. Es kann damit eine sehr gleichmäßige Ausfüllung des Formhohlraums und damit eine Unterstützung der Konturbildung bzw. eine entsprechende Nachformung der Kontur der Deckschicht erreicht werden.

Als Fasern, welche in dem Gemisch für den Schaumstoff vorliegen, können solche verwendet werden, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Glas, Kohlenstoff, Mineralfasern, Aramid, Naturfasern. Durch die Verwendung dieser Fasern kann eine verbesserte Formhaltigkeit des Bauteils erreicht werden und zudem eine Verstärkung der Schaumstoffschicht.

Diese Fasern können mit einer Länge eingesetzt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 mm und einer oberen Grenze von 100 mm, wodurch eine Anisotropie der Eigenschaften des Bauteils, insbesondere der Steifigkeit desselben, erreicht werden kann. Dies insbesondere deswegen, weil es damit möglich, dass zumindest annähernd eine Schichtung der Fasern in der Schaumstoffschicht erzielt wird.

Gemäß weiterer Ausführungsvarianten hierzu ist es möglich diese Fasern auszuwählen mit einer Länge ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 55 mm und einer oberen Grenze von 90 mm bzw. mit einer unteren Grenze von 60 mm und einer oberen Grenze von 70 mm, wodurch die Eigenschaften des Bauteils durch eine gleichmäßige Verteilung der Fasern vergleichmäßigt werden können.

Es ist weiters möglich, dass mehrschichtige Fasern verwendet werden mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Kern aus einem zum Werkstoff des Mantels verschiedenen Kernwerkstoff bestehen kann, sodass also über diese Fasern in den Bauteil selbst eine größere Funktionalität eingebracht werden kann.

Dabei ist es möglich, dass die Fasern mit einem Kernwerkstoff eingesetzt werden, der einen höheren Schmelzpunkt aufweist als der Werkstoff des Mantels, sodass es möglich wird, dass über das Mantelmaterial, d.h. insbesondere dessen zumindest teilweise Aufschmelzens während der Herstellung des Bauteils, eine innige Verbindung mit dem Schaumstoff erfolgt. Dabei kann gleichzeitig auf die Versteifung bzw. die Erhöhung der Steifigkeit des Bauteils durch den nicht aufgeschmolzenen Anteil des Kernwerkstoffes bereitgestellt werden.

Unterstützend dazu ist es möglich, dass der Kernwerkstoff der Fasern eine höhere mechanische Festigkeit aufweist, als der Werkstoff des Mantels.

Der Anteil der Fasern am Schaumstoffgemisch kann ausgewählt werden aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 3 Gew.-% und einer oberen Grenze von 60 Gew.-%, sodass eine entsprechende Variabilität der mechanischen Eigenschaften des Bauteils ermöglicht wird.

Es ist dabei auch möglich, dass der Anteil der Fasern am Gemisch ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 30 Gew.-% bzw. bzw. aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10 Gew.-%. Es kann damit eine „Nestbildung" von Fasern innerhalb des Bauteils besser vermieden werden, sodass also das Bauteil gleichmäßigere Eigenschaften aufweisen kann.

Zwischen der Deckschicht und dem Gemisch kann vor der Reaktion derselben eine Zwischenschicht angeordnet werden, wobei diese Zwischenschicht vorzugsweise aus einem Kunststoffschaum mit geringerer Dichte besteht, wie z.B. einem Verbundschaum bzw. Recyclingschaum. Es ist damit nicht nur möglich Primärmaterial für das Schaumstoffgemisch einzusparen und Sekundärrohstoffe wiederzuverarbeiten, sondern es ist damit auch möglich, die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu variieren bzw. ist es damit möglich, Akus tikbauteile herzustellen, indem diese verschiedenen Schaumstoffschichten unterschiedliche Absorptionswerte aufweisen.

Schließlich ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass in einer Ausführungsvariante vor dem Ausstoßen des Bauteils aus dem Formhohlraum die endgültige Kontur des Bauteils durch Stanzen im Schäumwerkzeug selbst hergestellt wird, wozu in einer Ausführungsvariante des Schäumwerkzeuges im Oberwerkzeug und/oder im Unterwerkzeug zumindest ein Stanzwerkzeug angeordnet sein kann, das entlang seiner Längsachse verschiebbar ist. Es kann also damit ein Bauteil hergestellt werden, der nach dem Verlassen des Schäumwerkzeuges, d.h. des Formhohlraumes derselben, fertig für die Montage ist und keiner weiteren Nachbearbeitung bedarf bzw. sich diese Nachbearbeitung lediglich auf nicht aufwendige Bearbeitungsschritte beschränkt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen dabei in schematisch vereinfachter Darstellung:
1 ein erfindungsgemäßes Bauteil im Querschnitt;
2 ein Schäumwerkzeug nach der Erfindung;
3 eine Ausführungsvariante des Bauteils im Querschnitt.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unter schiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
1 zeigt ein Bauteil 1 als eine mögliche Ausführungsvariante, wie er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Dieses Bauteil 1 umfasst in seiner einfachsten Ausführungsform eine Deckschicht 2 sowie eine Kernschicht 3.
Die Kernschicht 3 besteht üblicherweise aus Schaumstoff, wobei in diesem bevorzugt Fasern 4 eingelagert sind. Beispielsweise kann die Kernschicht 3 nach dem so genannten LFI (long fibre injection)-Verfahren hergestellt worden sein. Dabei wird – wie bekannt – ein Gemisch aus einem Schaumstoff, das heißt einem Rohstoff für einen Schaumstoff, mit Fasern 4 in eine entsprechende Form eingebracht und dort aufgeschäumt. Die Zuführung der Fasern erfolgt dabei über eine eigene Düse, wobei die Fasern 4 beispielsweise als Meterware vorliegen können und von einer Rolle abgerollt werden und während der Zuführung auf die gewünschte Länge abgelängt werden. Es entsteht dabei eine innige Durchmischung des Schaumstoff-Fasergemisches.
In 1 sind die Fasern 4 in Form von Strichen andeutungsweise dargestellt und ist aus 1 auch die relativ gleichmäßige Verteilung dieser Fasern 4 ersichtlicht. Der Schaumstoff ist in Form von unregelmäßigen Polygonen dargestellt. Üblicherweise wird auf diese Art und Weise ein offenzelliger Schaumstoff hergestellt, wenn gleich auch ein geschlossenzelliger möglich ist. Als Schaumstoff bzw. als Rohstoff für einen Schaumstoff wird bevorzugt zumindest ein Polyol und zumindest ein Isocyanat zur Herstellung eines Polyurethan-Schaumstoffes eingesetzt. Dabei können die einzelnen Komponenten als so genanntes Prepolymer eingesetzt werden, das heißt, dass diese Komponenten bereits eine gewisse Kettenlänge vor dem Aufschäumen aufweisen.
Neben der Herstellung eines Polyurethan-Schaumstoffes ist es aber auch möglich, andere Schaumstoffe auf diese Art herzustellen, beispielsweise aus Polyolefinen, insbesondere Polyethylen.
Es ist weiters möglich, dass diesem Rohstoffgemisch für einen Schaumstoff Füllstoffe bzw. Abfälle aus Produktionen oder Recyclingmaterialien in Form von Schaumstoffflocken zuge setzt werden, um auf diese Art und Weise einen so genannten Verbund-Schaumstoff, insbesondere einen faserverstärkten Verbund-Schaumstoff herzustellen.
Die Deckschicht 2 kann als Folie ausgeführt sein, beispielsweise als Folie aus einem Werkstoff, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvenylchlorid, Polyester. Allgemeiner kann die Deckschicht 2 aus einer Folie aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen.
Da das Bauteil 1 insbesondere für Fahrzeugteile verwendet wird, also beispielsweise für Innenausstattungsteile von Kraftfahrzeugen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Deckschicht 2, die im eingebauten Zustand des Bauteils 1 sichtbar ist, als Dekorschicht ausgebildet ist, beispielsweise aus Holz-, Faser-, Filz- oder Textilmaterialien. Es ist damit möglich, der Deckschicht 2 ein Aussehen zu verleihen, wie es der Innenausstattung von Kraftfahrzeugen entspricht, beispielsweise in Lederoptik oder in Holzoptik.
Wie aus 1 ersichtlich ist, kann die Deckschicht 2 die Kernschicht 3 an zumindest drei Seiten umfassen, wobei bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 eine Unterseite 5 offen bleibt, das heißt keine Deckschicht 2 an dieser Unterseite vorgesehen ist. Selbstverständlich ist es möglich, auch an dieser Unterseite 5 eine Deckschicht 2 vorzusehen. Üblicherweise ist diese jedoch nicht erforderlich, da diese Unterseite 5 für den Betrachter des Bauteils 1 im eingebauten Zustand desselben normalerweise nicht sichtbar ist.
Der Querschnitt des Bauteils 1, so wie er in 1 dargestellt ist, soll nur beispielhaft verstanden sein. Selbstverständlich ist es, abhängig vom jeweiligen Formhohlraum 6 – wie dieser in 2 dargestellt ist – unterschiedlichste Bauteile 1 mit unterschiedlichsten Querschnitten auszubilden. Es ist dabei auch möglich – wie dies andeutungsweise in 1 dargestellt ist – über die Oberfläche des Bauteils 1 verteilt eine oder mehrere Ausnehmungen 7, das heißt Vertiefungen oder Durchbrüche, vorzusehen. Es ist mit diesen Ausnehmungen 7 eine Versteifung erzielbar bzw. wenn diese Ausnehmungen 7 in Form von Durchbrüchen ausgebildet sind, können diese auch für Montagezwecke des Bauteils 1 bzw. zur Anordnung weiterer Bauteile, wie z.B. Lautsprecher, etc. heran gezogen werden. Die Ausnehmung(en) 7 können dabei unmittelbar während des Aufschäumens durch entsprechende Ausbildung des Formhohlraums 6 ausgebildet werden. Ebenso ist es möglich, dass in einem dem Aufschäu men nachfolgenden Arbeitsschritt eine Verpressung des Bauteils 1 stattfindet und damit das Material der Kernschicht 3 im Bereich der Ausnehmung 7 verdichtet wird. Durch diese Verdichtung ist auch eine weitere Aussteifung des Bauteils 1 erzielbar, beispielsweise für Montagezwecke.
Die Fasern 4, die in der Kernschicht 3 verwendet werden, können ausgewählt sein aus einer Werkstoffgruppe umfassend Glasfasern, Kohlenstofffasern, Mineralfasern, Aramidfasern, Naturfasern. Obwohl diese Art von Fasern bevorzugt wird, ist es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich, andere Fasern bzw. Fäden einzusetzen.
Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, auch die Deckschicht 2 faserverstärkt auszubilden, beispielsweise kann diese Deckschicht 2 aus einem Gemisch aus schmelzbaren und nicht schmelzbaren Fasern bestehen, sodass währen des Herstellungsvorganges für das Bauteil 1 bei Temperaturerhöhung die schmelzbaren Fasern aufschmelzen und die nicht schmelzbaren Fasern einschließen. Beispielsweise kann hierfür ein Gemisch aus Polypropylen-Glasfasern oder Polyamid-Glasfasern verwendet werden.
Die Fasern 4 bzw. Fäden werden bevorzugt mit einer Länge, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 mm und einer oberen Grenze von 100 mm verwendet. Wie bereits erwähnt ist es dabei möglich, dass die Ablängung unmittelbar und während des Einsatzes der Fasern 4 in der Zuführungsdüse erfolgt.
Da dass LFI-Verfahren bereits ausführlich im Stand der Technik beschrieben ist, soll an dieser Stelle nicht weiter auf diese Art der Zuführung eingegangen werden und sei der Fachmann an die einschlägige Literatur verwiesen. Erwähnt sei jedoch, dass die Zuführung des Rohstoffes für den Schaumstoff der Kernschicht 3 aus einem oder mehreren weiteren Zuführungseinheiten, insbesondere Düsen erfolgen kann, je nach dem aus wie vielen Komponenten der Schaumstoff besteht. Auch eine Vorvermischung einzelner Komponenten vor der Zuführung der Fasern 4 ist dabei möglich.
Die Fasern 4 werden besonders bevorzugt mit einer Länge eingesetzt, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 55 mm und einer oberen Grenze von 90 mm bzw. mit einer unteren Grenze von 60 mm und einer oberen Grenze von 70 mm.
Es ist weiters möglich, dass die Fasern 4 mehrschichtig ausgebildet sind, beispielsweise mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Kern aus einem zum Werkstoff des Mantels verschiedenen Werkstoff bestehen kann. Dabei ist es möglich, dass der Kernwerkstoff einen höheren Schmelzpunkt aufweist als der Werkstoff für den Mantel der Fasern 4, sodass durch die Temperaturanwendung der Mantelwerkstoff während der Einlagerns der Fasern 4 und der Ausbildung des Bauteils 1 zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, und damit eine innigere Verbindung mit dem Schaumstoff der Kernschicht 3 erfolgt.
Ebenso ist es möglich, dass die Fasern 4 eine höhere mechanische Festigkeit im Kern aufweisen als im Mantel, um damit mit einer Faserart eine höhere Funktionalität in das Bauteil 1 hinsichtlich der mechanischen Ausbildung, insbesondere Versteifung desselben, zu erreichen. Es ist auf diese Weise möglich, das Herstellungsverfahren des Bauteils 1 zu vereinfachen, in dem nicht unterschiedlichste Fasern 4 zugeführt werden müssen.
Die Fasern 4 können in einem Anteil am Gemisch zugesetzt werden, der ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 3 Gew.-% und einer oberen Grenze von 60 Gew.-%. Ebenso ist es möglich, diesen Anteil aus einem Bereich auszuwählen, mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 30 Gew.-% bzw. einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10 Gew.-%.
2 zeigt nun ein Schäumwerkzeug 8, welches als Form mit dem bereits erwähnten Formhohlraum 6 ausgebildet ist. Diese Form, das heißt das Schäumwerkzeug 8, kann im einfachsten Fall zweiteilig mit einem Unterwerkzeug 9 und einem Oberwerkzeug 10 ausgebildet sein, wobei diese jeweils eine Formhälfte bilden können.
Erfindungsgemäß wird die Deckschicht 2 bei dem Verfahren zum Herstellen des Bauteils 1 zumindest während des Einbringens des aufschäumbaren Gemisches vom Oberwerkzeug 10 durch einen zwischen dem Oberwerkzeug 10 und der Deckschicht 2 anliegenden Unterdruck gehalten, wozu im Oberwerkzeug 10 zumindest ein Durchbruch 11 angeordnet ist, welcher mit einer Einrichtung zur Erzeugung des Unterdruckes, beispielsweise einer Vakuumpumpe verbindbar ist. Bevorzugt sind über das Oberwerkzeug 10 – wie in 2 dargestellt – mehre rer dieser Durchbrüche 11 angeordnet, um eine gleichmäßige Halterung der Deckschicht 2 während der Herstellung des Bauteils 1 zu erzielen.
Die Anbindung der Vakuumeinheit(en) kann dabei beispielsweise durch Verschraubungen mit dem Durchbruch 11 bzw. den Durchbrüchen 11 erfolgen, ebenso ist es aber auch möglich, andere Arten der Anbindung zu wählen, beispielsweise durch einfaches Auflegen dieser Einheit(en) auf die äußere Oberfläche des Oberwerkzeuges 10. Durch den anliegenden Unterdruck wird die Vakuumeinheit bei entsprechender Dichtheit automatisch an dieser Oberfläche angesaugt.
Im Unterwerkzeug 9 kann zumindest ein weiterer Durchbruch 12 vorgesehen sein – wiederum können mehrerer dieser Durchbrüche 12 angeordnet werden – über welchen das Faser-Schaumstoffgemisch, das heißt das Faser-Rohstoff-Gemisch für den Schaumstoff der Kernschicht 3 eingebracht werden kann. Neben dieser Zuführung dieses Faser-Rohstoff-Gemisches durch das Unterwerkzeug 9 ist es auch möglich, dass dieses Gemisch in das offene Werkzeug eingebracht wird und erst anschließend das Schäumwerkzeug 8 zur Ausbildung des Bauteils 1 geschlossen wird. Erstere Variante wird jedoch bevorzugt.
Das Schäumwerkzeug 8 kann Teil einer Gesamtanlage sein, welche die Zuführungseinrichtungen für das Gemisch für die Kernschicht 3, Zuführungseinrichtungen für die Deckschicht 2, etc. umfassen kann. Weiters können dabei auch Wägeeinrichtungen und dgl. angeordnet werden.
Bevorzugt wird als Werkstoff für die Deckschicht 2 ein Material verwendet, welches eine bleibende Materialverformung erlaubt, das heißt, dass die Deckschicht 2 nach der Ausformung des Bauteils 1 keine Konturänderung erfährt. Es wird damit dem Bauteil 1 eine bessere Formstabilität verliehen.
Die Formgebung der Deckschicht 2 kann zum Einen außerhalb des Schäumwerkzeuges 8 beispielsweise durch Tiefziehen oder Prägen erfolgen, sodass dieses bereits in der richtigen Form, das heißt der richtigen Kontur, in das Schäumwerkzeug 8 eingelegt und gehalten werden kann. Andererseits ist es möglich, dass die Formgebung im Schäumwerkzeug 8 selbst erfolgt, beispielsweise durch den anliegenden Unterdruck und/oder durch Temperaturerhö hung während der Herstellung des Bauteils 1. Gegebenenfalls ist es möglich, dass der Schäumdruck der im Formhohlraum 6 durch das Aufschäumen des Gemisches entsteht, ausreichend ist, um innerhalb des Schäumwerkzeuges 8 die Konturbildung der Deckschicht 2 zu ermöglichen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohstoff-Gemisch für den Schaumstoff der Kernschicht 3 direkt auf der Kernschicht 2 aufgeschäumt.
In 3 ist eine Ausführungsvariante des Bauteils 1 dargestellt, welche mehrschichtig ausgebildet ist. Neben der bereits zu 1 beschriebenen Anordnung der Kernschicht 3 aus dem Schaumstofffasergemisch und der Deckschicht 2 ist es möglich, zwischen diesen beiden zumindest eine weitere Schicht 13 anzuordnen. Diese weitere Schicht 13 kann zum Beispiel aus einem Verbundschaumstoff aus Recyclingmaterialien bestehen bzw. können auch andere Werkstoffe für diese weitere Schicht 13 gewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die Schicht 13 im Vergleich zur Kernschicht 3 ein höheres Raumgewicht aufweist, sodass damit nicht nur eine Aussteifung des Bauteils 1 möglich ist, sondern dem Bauteil 1 auch ein besseres Akustikverhalten durch eine so genannte Schwerschicht gegeben werden kann, in Art eines Feder-Masse-Elementes. Ebenso ist eine umgekehrte Ausbildung, das heißt, dass die Kernschicht 3 ein höheres Raumgewicht aufweist, als die weitere Schicht 13 in diesem Sinne möglich.
Neben dieser dreischichtigen Ausbildung des Bauteils 1 ist es aber auch möglich, mehrere Schichten anzuordnen, dieses Bauteil 1 beispielsweise vier-, fünf-, sechs- oder siebenschichtig auszubilden.
Wie in 3 nun dargestellt ist, können die Enden, das heißt die Randbereiche der Deckschicht 2 zumindest annähernd rechtwinkelig abstehend ausgebildet sein, um beispielsweise über diese Randbereiche, insbesondere wenn die Deckschicht 2 aus einem steifen Material besteht, eine sichere Montage des Bauteils 1 zu ermöglichen. Diese Randbereiche können auch dazu verwendet werden – wie dies in 3 strichliert dargestellt ist – eine Verbindung zu einer weiteren Deckschicht 2 an der Unterseite 5 des Bauteils 1 herzustellen, um damit die Kernschicht 3 von außen völlig unsichtbar einzuschließen. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Vernadeln, Verkleben oder dgl. erfolgen.
Besonders bevorzugt bei dieser mehrschichtigen Ausführungsvariante ist, wenn die Deckschicht 2 aus einem luftdurchlässigen Material besteht bzw. wenn diese Deckschicht 2 zumindest teilweise eine Luftdurchlässigkeit erzeugt bzw. gegeben ist, sodass die weitere Schicht 13 ebenso zumindest während des Einbringens des Faser-Rohstoff-Gemisches in den Formhohlraum 6 über den anliegenden Unterdruck am Oberwerkzeug 10 gehalten wird. Es ist dazu auch möglich, dass diese weitere Schicht 13 im Grenzbereich zur Kernschicht 3 mit einer Folie versehen ist, wobei eben diese Folie aus einem aufschmelzbaren Werkstoff, beispielsweise einem Polyolefin, insbesondere Polyethylen, bestehen kann, sodass durch das Aufschmelzen dieser Folie eine Verbindung mit der Kernschicht 3 hergestellt werden kann, wenn gleich an dieser Stelle bemerkt sei, dass durch das Aufschäumen des Rohstoff-Faser-Gemisches im Formhohlraum 6 gegebenenfalls automatisch eine Verbindung mit dieser weiteren Schicht 13 bzw. mit der Deckschicht 2 nach der Ausführungsvariante nach 1 erfolgt.
Sollte es erforderlich sein, dass im Bauteil 1 Stanzungen durchgeführt werden müssen bzw. um eine abschließende Konturbildung durchzuführen, ist es besonders bevorzugt, wenn das Schäumwerkzeug 8, das heißt, wenn im Oberwerkzeug 10 und/oder im Unterwerkzeug 9 zumindest ein Stanzwerkzeug angeordnet ist, welches entlang seiner Längsachse verschiebbar ist. Es ist auf diese Weise erreichbar, dass das Bauteil 1 fertig ausgeformt werden kann und keinerlei Nachbearbeitung bedarf.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Bauteils 1 bzw. Schäumwerkzeuges 8, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mitumfasst.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Bauteils 1 bzw. Schäumwerkzeuges 8, diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den 1; 2; 3 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.

1: Bauteil
2: Deckschicht
3: Kernschicht
4: Faser
5: Unterseite
6: Formhohlraum
7: Ausnehmung
8: Schäumwerkzeug
9: Unterwerkzeug
10: Oberwerkzeug
11: Durchbruch
12: Durchbruch
13: Schicht

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Bauteils (1) aus mit zumindest einer Deckschicht (2) versehenen Schaumstoff, insbesondere eines Fahrzeugteils, bei dem in einen durch ein Ober- (10) und ein Unterwerkzeug (9) gebildeten Formhohlraum (6) eines Schäumwerkzeuges (8) die Deckschicht (2) eingelegt und ein aufschäumbares Gemisch aus einem Kunststoff-Rohstoff mit Fasern (4) in den Formhohlraum (6) eingebracht und dieses zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (2) zumindest während des Einbringens des aufschäumbaren Gemisches vom Oberwerkzeug (10) durch einen zwischen dem Oberwerkzeug (10) und der Deckschicht (2) anliegenden Unterdruck gehalten und das Gemisch auf und/oder durch das Unterwerkzeug (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch durch zumindest einen Durchbruch (12), insbesondere eine Bohrung, im Unterwerkzeug (9) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch bei geschlossenem Schäumwerkzeug (8) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Deckschicht (2) zumindest ein Werkstoff der eine bleibende Materialverformung erlaubt verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Deckschicht (2) durch Zug- oder Druckverformung, vorzugsweise Tiefziehen, zumindest teilweise vor dem Einlegen in das Schäumwerkzeug (8) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form- bzw. Konturbildung der Deckschicht (2) im Formhohlraum des Schäumwerkzeugs (8) erfolgt, insbesondere mittels Unterdruck und/oder durch den Schäumdruck.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (2) eine Folie, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyester.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (2) eine Dekorschicht, die z.B. aus Holz-, Faser-, Filz- oder Textilmaterial, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff-Rohstoff eine Mischung aus zumindest einem Isocyanat und zumindest einem Polyol verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) verwendet werden, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Glas, Kohlenstoff, Mineralfasern, Aramid, Naturfasern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) mit einer Länge ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 mm und einer oberen Grenze von 100 mm verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) mit einer Länge ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 55 mm und einer oberen Grenze von 90 mm verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) mit einer Länge ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 mm und einer oberen Grenze von 70 mm verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrschichtige Fasern (4) mit einem Kern und einem Mantel verwendet werden, wobei der Kern aus einem zum Werkstoff der Mantels verschiedenen Kernwerkstoff besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) mit einem Kernwerkstoff verwendet werden, der einen höheren Schmelzpunkt aufweist als ein Werkstoff des Mantels.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (4) mit einem Kernwerkstoff verwendet werden, der eine höhere mechanische Festigkeit aufweist als der Werkstoff des Mantels.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern (4) am Gemisch ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 3 Gew.-% und einer oberen Grenze von 60 Gew.-%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern (4) am Gemisch ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 30 Gew.-%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern (4) am Gemisch ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10 Gew.-%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Deckschicht (2) und dem Gemisch vor der Reaktion desselben eine weitere Schicht (13), insbesondere eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus einem Kunststoffschaum mit geringer Dichte, wie z.B. einem Verbundschaum bzw. Recyclingschaum, eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausstoßen des Bauteils aus dem Formhohlraum die endgültige Kontur des Bauteils durch Stanzen im Schäumwerkzeug (8) hergestellt wird.
Schäumwerkzeug (8) umfassend zumindest ein Unterwerkzeug (9) und zumindest ein Oberwerkzeug (10), die im zusammengesetzten Zustand einen Formhohlraum (6) definieren, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberwerkzeug (10) zumindest ein Durchbruch (11) zum Anlegen eines Unterdruckes angeordnet ist.
Schäumwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberwerkzeug (10) und/oder im Unterwerkzeug (9) zumindest ein Stanzwerkzeug angeordnet ist, dass entlang seiner Längsachse verschiebbar ist.